推文摘要图
全文速览
淡水资源的短缺激发了对海水或微咸海水淡化技术的探索。与传统的反渗透、热蒸馏技术相比，电容去离子技术(CDI)具有低电压条件运行、高能效、环保等优点，是一种有前景的海水淡化方法。目前CDI装置的去离子性能主要取决于电极材料，传统的CDI电极大多为碳材料，如活性炭、碳气凝胶、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等。然而，基于电双层(EDL)理论，以碳材料为主的CDI装置存在脱盐容量低、能源效率有限、共离子效应、材料稳定性差等问题。因此，研究者们致力于探索其他高性能的电极材料。随着储能材料的出现，一些用于电池的材料在电容去离子方面显示出巨大的潜力。其中，基于表面氧化还原、离子插入、转换反应和电解液氧化还原的机理，法拉第材料表现出了显著的性能优势，具有更高的电荷效率和脱盐能力。
近年来，过渡金属氧化物(TMOs)、普鲁士蓝、磷酸盐聚合物等法拉第电极的研究取得了很大进展。由于较高的比电容和寿命。TMOs在锂电池或钠电池中受到越来越多的关注，在CDI领域中，研究者对氧化锰、五氧化钒(V2O5)、氧化铁和二氧化钛等材料进行了探索。作为一种典型的金属氧化物，V2O5在高能量密度、高比电容的电池领域得到了广泛的研究。据报道，1摩尔V2O5材料的可存储1.6摩尔的钠离子。当嵌入钠后，V2O5发生了相变，形成了具有可重复循环性能的新结构，显示了其在可充电钠电池中的潜力。此外，之前有研究建立了由V2O5修饰的碳纳米管(CNT-V2O5)电极和活性炭电极组成的混合膜电容去离子(MCDI)系统，其盐吸附容量(SAC)达到23.6±2.2mg g-1，表明V2O5是一个有潜力的CDI材料。
虽然V2O5具有高容量和多电子传递能力，但其稳定性较差，离子传递速率慢，导致长循环内出现容量衰减问题。现有的解决方案是将碳材料与V2O5结合，以减少电极材料与电解质的直接接触。然而，这种方法对提高材料的离子传输性能作用不大。
设计具有特殊纳米结构的材料是实现优异电化学性能的有效途径。一些研究报告称，一维材料能够更好地适应大的体积变化，从而获得更好的稳定性。Chan等人在电化学长循环试验中提出硅纳米线电极可以承受高应变而不发生粉化，具有良好的电子接触性和导电性。此外，硅纳米线材料具有高长径比和沿一维电子路径的优良电荷转移，使离子和电子可以同步插入一维结构中。根据之前的报道，Mu等采用简单的水热法合成了四种具有典型纳米形态的V2O5材料，包括一维纳米线和纳米棒、三维纳米花和纳米球，并比较了它们的电化学性能。当在1mol L-1 Na2SO4电解液中测试几种电极材料时，1D棒状结构的V2O5电极显示出更优异的钠离子存储容量、电化学动力学和速率性能。这是因为在快速充放电过程中，特殊的棒状结构可以显著减少Na+离子的扩散和迁移路径，加速离子的嵌入和脱出。
以上研究表明1D材料相较于二维(2D)或三维(3D)材料具有更好的稳定性和更短的离子传输路径，因而具有优异的电化学性能。根据之前的研究，一些结构可控的材料是通过自上而下的方法制备的，即可从前体物（如金属有机骨架（MOFs）、生物质、普鲁士蓝等）衍生得到。
MXenes是过渡金属氮化物和碳化物的统称，作为一类新型的二维层状材料，已被证明是制备如TiO2、Nb2O5、MoO2等过渡金属氧化物材料很有前途的前体。在热处理条件下，MXenes倾向于转化为更稳定的金属氧化物复合材料，表现出更好的电化学性能。此外，由于MXenes独特的结构和较大的层间距，可以作为结构定向剂获得结构独特的衍生材料，如纳米线、纳米棒、纳米带等，具有优异的性能。因此，利用MXenes构建一维纳米材料是一种可行的方法。碳化钒(V2C)是MXenes家族的一员，具有夹层状结构。如果能将V2C直接转化为结构可控的V2O5，将为V2O5的构建提供一条创新路径。然而，据我们所知，还没有关于V2C转化为一维金属氧化物的报道。
贵州大学刘宝军团队与同济大学马杰团队以V2C MXene为原料制备了一种生长取向整齐的纳米长方体V2O5材料，并应用于CDI中。纳米长方体呈有序堆叠，有助于保持材料的结构稳定性。在本工作中，所制备的V2O5具有钠离子快速插脱的特点，经过一定的循环后，脱盐性能保持稳定，达到55.2 mg NaCl g-1 V2O5的高SAC值。同时，在同类材料中比能耗(SEC)更低，能量回收率更高。因此，纳米长方体V2O5是一个具有发展前景的CDI电极材料。
该成果以题为“In-situ Formation of Uniform V2O5 Nanocuboid from V2C MXene as Electrodes for Capacitive Deionization with Higher Structural Stability and Ion Diffusion Ability”发表在《Desalination》上。
图文解读
要点一：材料设计过程
图1为材料的制备过程示意图：碳化钒（V2C）经前体物V2AlC刻蚀得到，之后在空气气氛下进行高温煅烧，可制备出一维纳米长方体状的V2O5。
要点二：V2O5材料表征
图2为材料的表征图。a图表示刻蚀后的V2C材料表现出明显的片层结构，e，f表示V2O5材料的成功制备，b、c图显示制备出的V2O5为明显的一维纳米长方体状，并且排列整齐，这样的结构有利于材料稳定性的提升，且能提升溶液中的离子传输速率。
要点三：电极的电化学性能
图3展示了V2O5材料的电化学性能。a图中呈现的树叶状的CV图表明V2O5除了双电层电容外，还存在赝电容性质。当扫速为10 mv/s时，V2O5的电容量达到59.5 F/g。恒流充放电图表现出对称的三角形状，说明V2O5具有可逆的电化学性质。阻抗测试图显示该材料电阻较小，有利于电化学过程中的离子传输。
要点四：电极的脱盐性能
图4为V2O5的脱盐性能图。当NaCl浓度为500mg/L，施加电压为1.2V时，V2O5的脱盐容量达到55.2 mg g-1，且在20个循环内，脱盐容量保持不变，说明材料具有良好的稳定性。相较于同类型的其他过渡金属氧化物，V2O5的脱盐容量处于一个较高的水平。此外，该脱盐过程具有一个较低的能耗值（0.266 kWh kg-1 NaCl），远低于传统的碳基CDI过程所需能量。
文章小结
本研究以MXene-V2C为前体物，通过简单的高温煅烧法制备出排列整齐的一维纳米长方体状的过渡金属氧化物V2O5，该材料具有稳定的结构和快速的离子传输速率。当该材料应用于CDI中时，显示出55.2 mg g-1的高脱盐容量，并具有良好的循环稳定性。综上所述，V2O5电极在去除水中的盐离子方面具有广阔的应用前景，同时该研究启发我们重视材料结构的设计，以达到提高其性能的目的。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114897
作者信息：
刘宝军，2016年博士毕业于大连理工大学，随后在香港理工大学完成了2.5年的博士后研究工作。现为贵州大学资源与环境工程学院副教授，学位点负责人。研究领域为环境及能源催化材料，研究方向主要集中在光、电催化材料的设计及开发、高级氧化技术在环境、能源及化工领域中的应用等方面。目前已在Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Applied Catalysis B: Environmental, ACS Sustainable Chemistry & Engineering等国际知名期刊上发表研究论文26篇。
喻兰兰，女，贵州大学2018级环境工程专业在读硕士研究生，本科毕业于中国海洋大学环境科学与工程学院。研究方向为环境功能材料的制备及其在电化学领域中的应用。目前已发表英文SCI论文三篇，其中两篇1区文章，一篇3区文章，中文科技核心论文一篇。在校期间，主持科研项目一项，获得研究生国家奖学金、贵州大学新生一等奖学金、研究生学业二等奖学金、研究生创新基金奖等奖励，荣获“入学教育优秀学员”，“校级三好研究生”等多项荣誉称号。
