第一作者：饶良妹

通讯作者：马杰；朱洪光，黄美荣

通讯单位：同济大学环境科学与工程学院；同济大学新农村发展研究院

论文DOI：https://doi.org/10.1039/d5im00117j

一、研究背景

Fe₃O₄因其高理论容量、优异的电化学性能和环境友好性而被广泛用于离子去除与能量存储领域。然而，其在离子嵌入/脱嵌过程中不可避免的体积变化与较低导电性严重限制了实际应用。近年来，研究者们尝试通过纳米化、多孔结构、碳包覆等方法改善其稳定性与导电性能。尤其是引入晶格缺陷（如铁空位），可显著增强电荷转移与反应活性。另一方面，沼液作为生物质厌氧发酵的副产物，富含有机碳源，其衍生碳材料不仅具备优良的导电性和比表面积，还能实现“废弃物资源化”的绿色循环利用。因此，将铁空位调控与沼液碳材料结合，为构建高性能、可持续的电极材料提供了新的思路。

二、本文亮点

A. 双重调控策略：通过碱刻蚀引入铁空位，同时利用沼液衍生碳构建介孔结构，协同提升导电性与结构稳定性。

B. 卓越的电化学性能：在1.6 V下实现高达126 mg g⁻¹的脱盐容量，循环200次后仍保持99%以上容量。

C. 绿色可持续路径：采用废弃沼液为碳源，显著降低成本与碳排放，实现“以废治污”的闭环利用。

三、内容简介

研究团队采用水热-碱刻蚀法制备了具有丰富铁空位的Fe₃O₄/介孔碳复合材料（VFO-C）。碱刻蚀不仅引入了大量Fe缺陷位点，还促使材料形成均一的球形结构和丰富的孔隙。与未刻蚀样品Fe₃O₄-C相比，VFO-C表现出更高的比表面积、更优的亲水性及更低的电荷传输阻抗。在电容去离子（CDI）实验中，VFO-C在1.6 V下的盐吸附容量（SAC）达126.6 mg g⁻¹，能量归一化吸附容量（ENAS）达0.552 mg J⁻¹。DFT计算揭示铁空位可降低Na⁺吸附能（由−1.12 eV降至−0.53 eV），促进离子迁移并提升电化学可逆性。

四、图文导读

VFO-C的制备示意及微观结构。图中展示了Fe₃O₄-C与VFO-C的SEM、TEM、HRTEM和EDS结果，表明经NaOH刻蚀后颗粒形貌更加均匀、孔隙增多，铁空位均匀分布于碳基骨架中，为电子与离子传导提供了快速通道。

Fe₃O₄-C与VFO-C的表面结构表征。接触角测试显示其亲水性显著增强，BET分析表明比表面积与孔径均增大。XRD/XPS结果揭示铁空位的引入导致Fe 2p能级位移与氧化态变化，证实电子结构被有效调控。

VFO-C的电化学性能。CV曲线在−0.15~0.15 V范围出现明显氧化还原峰，EIS结果显示电荷传输电阻降低一半，GCD曲线表明在不同电流密度下保持优异的倍率性能与循环稳定性。

不同电压下VFO-C的脱盐性能。1.6 V条件下SAC达126.6 mg g⁻¹，较Fe₃O₄-C提升约40%，循环200次仍保持99%容量。对比结果突出铁空位协同沼液碳复合结构在电容去离子中的优势。

   DFT理论分析。Na⁺在VFO-C表面的吸附能降低至−0.53 eV，电子密度差分图显示铁空位处电荷重新分布，迁移能垒下降，揭示其快速可逆离子传输机制。

五、总结与展望

本研究通过铁空位调控与废弃沼液碳资源化的协同策略，实现了高效、稳定且绿色可持续的电极材料构建。VFO-C不仅在电化学脱盐中展现出卓越性能，还在能量存储与电催化领域具有潜在应用前景。研究结果证明，铁空位可有效调控Fe₃O₄的电子结构，促进电荷转移，配合介孔碳骨架显著缓解循环过程中的体积膨胀。未来，该策略可进一步拓展至选择性离子分离、矿物元素前浓缩及高盐废水资源化利用领域，为从“脱盐”向“资源回收”转型提供重要参考。

六、文献链接

原文链接：https://doi.org/10.1039/d5im00117j