第一作者：刘宁宁

通讯作者：马杰

通讯单位：同济大学，喀什大学

论文DOI:10.1016/j.cej.2025.161488

研究背景：

具有高比容量的过渡金属硒化物（TMSs）被认为电容去离子（CDI）技术中极具前景的电极材料，但其低电导率和较大的体积效应限制了其应用。二维过渡金属碳化物MXene，因其优异的电导率、高赝电容活性和可调的层间距，作为电极材料受到广泛关注。MXene的二维纳米片状结构为与TMSs的组装提供了巨大的潜力。为此，本文提出了一种界面限制原位衍生策略，通过利用熔盐刻蚀过程中产生的氧化还原反应产物作为前驱体，成功构建了无氟Ti₃C₂Tₓ MXene负载的NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒复合材料（Ti₃C₂Tₓ@NiSe₂/CoSe₂）。Ti₃C₂Tₓ与NiSe₂/CoSe₂之间形成的Ti-O-Ni/Co化学键确保了超小尺寸NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒在MXene表面和层间的均匀分布，从而暴露出丰富的多界面活性位点，提供额外的赝电容。无氟Ti₃C₂Tₓ MXene具有优异的导电性、可调节的表面功能基团和片层结构，进一步促进了电化学反应动力学，并通过空间限制效应保持了NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒的结构完整性。Ti₃C₂Tₓ@NiSe₂/CoSe₂在HCDI系统中表现出卓越的脱盐性能（1.6 V下脱盐容量为130.0 mg g⁻¹）和优异的循环稳定性。四单元CDI堆栈系统可有效降低微咸水和天然太湖水中的离子浓度，使其达到中国饮用水标准（GB 5749-2022），处理成本仅为0.39美元/立方米，具有显著的技术经济优势。本研究提出的策略不仅实现了熔盐刻蚀制备MXene副产物的合理利用，还为制备MXene/TMSs复合杂化材料作为先进CDI阳离子捕获电极提供了理论指导。

本文亮点：

●提出了一种基于熔盐刻蚀合成MXene的界面限制衍生过渡金属硒化物的方法。

●探究了Ti₃C₂Tₓ@NiSe₂/CoSe₂电极的电容去离子效能和离子存储机制。

●讨论了基于Ti₃C₂Tₓ@NiSe₂/CoSe₂电极的CDI单元扩大化应用前景和标准成本

图文导读

SEM和TEM分析可知，熔盐刻蚀成功将Ti₃AlC₂中Al层去除，得到类手风琴状Ti₃C₂。硒化后，NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒均匀地锚定在Ti₃C₂的层间和表面。Ti₃C₂Tₓ@NiSe₂/CoSe₂中观察到Ti₃C₂Tₓ、NiSe₂及CoSe₂的晶体结构。

Ti₃C₂T_x@NiSe₂/CoSe₂中显示出NiSe₂（PDF编号88-1711）和CoSe₂（PDF#89-2002）的特征衍射峰，证实了NiSe₂和CoSe₂在Ti₃C₂T_x中原位衍生成功。NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒在Ti₃C₂T_x层间的分布进一步增大了其层间距和比表面积。XPS分析表明，NiSe₂/CoSe₂与Ti₃C₂T_x通过Ti-O-Ni/Co键耦合。强界面作用可显著促进界面电子转移，增强材料整体的导电性。

所有样品的CV曲线形状都呈现类矩形，没有明显的氧化还原峰，表明电极的离子存储机制以插层赝电容为主。Ti₃C₂T_x@NiSe₂/CoSe₂始终具有最优电容性能和容量保持率，这得益于Ti₃C₂T_x中均匀分布的NiSe₂/CoSe₂混合金属硒化物纳米颗粒提供的丰富的高化学活性位点，同时，Ti₃C₂T_x@NiSe₂/CoSe₂扩展的层间距和分级孔结构也进一步增加了活性位点可及性和利用率。

当施加1.6 V电压时，Ti₃C₂T_x@NiSe₂/CoSe₂脱盐容量可达130 mg_NaClg^-1，脱盐速率可达4.3 mg_NaClg^-1min^-1，并表现出优越的循环稳定性，优于大多数已经报道的MXene基电极材料。具有高电化学活性的NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒不仅为离子吸附提供了额外的活性位点，其在Ti₃C₂T_x层间的锚定显著增加了Ti₃C₂T_x的表面积、孔体积和层间距，从而增加了活性位点的暴露并优化了离子迁移通道。同时，Ti₃C₂T_x作为基底即确保了NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒的高度分散，并由于其二维特性和优异的导电性，在充放电循环中促进了快速的电子转移。此外，二维空间限制效应和强烈的Ti-O-Ni/Co共价相互作用有效缓解了NiSe2/CoSe2纳米颗粒在长期循环中的聚集，从而赋予了Ti3C2Tx@NiSe2/CoSe2电极卓越的结构稳定性。

四单元CDI堆栈系统可有效降低微咸水和天然太湖水中的离子浓度，使其达到中国饮用水标准（GB 5749-2022），处理成本仅为0.39美元/立方米，具有显著的技术经济优势，且CDI系统在放电过程中表现出能量回收的潜力。

结论与展望

本研究建立了一种创新的界面限制原位衍生策略，用于合成无氟Ti₃C₂Tx@NiSe₂/CoSe₂复合材料作为CDI阳离子捕获电极。这种环保方法直接将Ti₃AlC₂前驱体转化为Ti₃C₂Tx，避免了有毒氢氟酸处理，同时有效利用了熔盐蚀刻的副产物。在Ti₃C₂Tx@NiSe₂/CoSe₂复合材料中，Ti₃C₂Tx MXene既作为快速电子/离子传输的促进剂，又作为保护结构稳定性的基质。NiSe₂/CoSe₂与Ti₃C₂Tx之间的强界面相互作用和稳定的Ti-O-Ni/Co键，确保了NiSe₂/CoSe₂纳米颗粒的均匀分布和Ti₃C₂Tx MXene层间距的扩大，最大化暴露活性多界面，增强复合材料的赝电容特性。Ti₃C₂Tx@NiSe₂/CoSe₂阴极展现出卓越的咸水淡化效率，实现了130 mgg^-1（1.6 V）的卓越淡化能力和4.3 mgg^-1min^-1的快速脱盐速率，并在多次循环中表现出优异的耐久性。4个电池串联的CDI堆成功处理了咸水（1000 mgL^-1）和太湖实际水样，达到标准水质。该CDI系统具有显著的经济成本效益，平准化水成本（LCOW）为每立方米0.39美元，显示出其巨大的实际应用潜力。本研究为合理利用路易斯酸蚀刻副产物以及开发硒化物/MXene复合电极用于咸水淡化提供了开创性的视角。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161488