第一作者：王俊策

论文DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202411659

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传统的除氟技术因效能、成本和二次污染等限制，往往难以有效处理低浓度氟污染地表水（＜10ppm），而本世纪新兴的电化学除氟技术（EFC）有望突破这一难点。二维过渡金属碳化物（MXenes）可控的片层结构和丰富的表面官能提供了理想的离子存储空间和电化学活性位点，被广泛认为是一种极具潜力的电极材料。然而， MXenes捕获氟离子的效能至今仍缺乏研究，如何通过有效策略实现兼具高容量快速率的除氟极具挑战。

针对这一问题，喀什大学/同济大学马杰教授团队首次尝试将Ti₃C₂T_xMXene应用至无机氟污染控制研究，探索高性能、长寿命的除氟阳极材料的开发，旨在强化Ti₃C₂T_x在电化学除氟系统中的去离子性能。研究中，采用微调控层空间和原位修饰策略对Ti₃C₂T_x进行微观结构设计，通过楔形结构的构建形成“类纳米泵”效应，进而提高离子存储动力学。该策略通过不完全刻蚀前驱体Ti₃AlC₂得到部分残留Al元素的i-Ti₃C₂T_x，进而将残留Al原位衍生为Al₂O₃纳米颗粒，拓宽了氟离子的特有活性捕获位点，最大限度地释放MXene的电化学存储电位，实现靶离子的快速捕获。结果表明，Al₂O₃/i-Ti₃C₂T_x在电化学除氟体系中展现出超高的容量(69.9mg g^-1)、快速的吸附速率(9.51mg g^-1min^-1)以及优异的稳定性(200次循环超过90%)。上述结果深化了对MXene在电化学捕氟机理的理解，也为有效捕获插层材料的各种离子提供了一种通用思路。

要点一：提升的电化学离子存储动力学

面积最大的CV曲线以及充放电时间最久的GCD曲线均表明Al₂O₃/i-Ti₃C₂T_x-24.5具有最高的电化学比电容（160.2 F g^-1）。阶梯电位电化学阻抗对各组电极的动力学信息进行动态研究。充放电过程中，Al₂O₃/i-Ti₃C₂T_x-24.5在高频区的峰值和低频区≈45°的相位角均证明其快速离子扩散能力。通过Warburg系数半定量估算动态电压下的扩散系数，可以看出Al₂O₃/i-Ti₃C₂T_x-24.5具有最高的扩散系数。得益于楔形结构形成的“类纳米泵”效应，Al₂O₃/i-Ti₃C₂T_x-24.5表现出快速的电荷/离子存储动力学，从而充分利用了其电化学除氟特性。

要点二：增强的氟离子捕获性能

不同电压下Al₂O₃/i-Ti₃C₂T_x-24.5的除氟容量和速率均远高于其他各组样品，更重要的是，在连续200余次充放电循环中，该电极达到了高达90%的容量保持率，并且处理地表水后的出水F^-浓度符合世界卫生组织（WHO）的规范（＜1.5 ppm）。总之，该电极表现出最佳的除氟容量、速率、能耗、长循环稳定性与环境适用性。

要点三：明晰的氟离子捕获机制

为了阐明Al₂O₃/i-Ti₃C₂T_x增强的除氟性能的来源，采用异位XPS和XRD探究其在充放电过程中的演变，证实了该材料的高性能归功于Al-OH··· F、Al-F以及Ti₃C₂T_x离子插层的耦合机制；同时通过DFT模拟验证了Al₂O₃在捕获氟离子中的特异作用，有限元FEM仿真计算进一步验证了楔型结构下存在的“类纳米泵”效应。