第一作者：石皓坔

通讯作者：徐梦姣、王鲁香、马杰

通讯单位：新疆大学/同济大学

论文DOI：10.1016/j.cej.2025.170405

研究背景

二维材料MoS₂的窄层间距和端硫惰性严重限制了电容性去离子(CDI)过程中离子的扩散和分离。在此，我们提出了一种温和的表面活性剂辅助超声剥离策略，以构建富含缺陷(S)的1 T-MoS₂(D-MoS₂)纳米片，同时扩大层间距，避免了传统方法通常需要的高温处理和离子插入。该策略利用F68优异的两亲性以及F68与1 T-MoS₂之间的表面能匹配来提高剥离效率。当与超声处理相结合时，与花状MoS₂(F-MoS₂)相比，它产生了松散的多孔纳米片结构，并伴随着S空位浓度的增加。结果表明，复合材料的比表面积(SSA)由3.28 m²⋅g⁻¹增加到16.94 m²⋅g⁻¹(5.16倍)，层间距由9.79扩大到10.12 Å， S空位浓度由11.79%提高到14.87%。层间距的扩大有利于Zn²⁺的快速(脱)嵌入，而S空位的增加则提供了更有利的活性位点。得益于这些协同优势，D-MoS₂表现出优异的CDI性能。在1.2 V电压下，DMoS₂对Zn²⁺的盐吸附容量(SAC)达到143.84 mg⋅g⁻¹，是迄今为止CDI电极报道的最高SAC之一。密度泛函理论(DFT)计算表明，该协同工程策略将Zn²⁺扩散能垒从0.68 eV降低到0.44 eV，这是Zn²⁺在CDI中的扩散和分离效率显著提高的机制。这项工作为MoS₂的层间和S缺陷调制开辟了一种新颖而温和的策略，为通过CDI推进下一代离子分离技术提供了一个通用的框架。

本文亮点：

•F68辅助剥离技术实现层间膨胀与缺陷调控。

• 硫空位调控与层间距同步优化显著提升Zn²⁺分离效率。

• D-MoS₂电极在电化学脱碘过程中展现卓越的Zn²⁺表面活性与扩散动力学特性。

• 密度泛函理论揭示Zn²⁺扩散势垒降低且结合能增强。

图文导读

图1流程与结构

F68-超声把花球F-MoS₂剥成纳米片D-MoS₂；多尺度表征（SEM/HRTEM/SAED）显示层片松散、晶界清晰，Mo/S元素映射均匀。TEM测得层间距由9.79→10.12 Å；机制为F68表面张力与1T-MoS₂表面能匹配，在超声空化中削弱层间范德华力并抑制团聚，促进高效剥离。

图2物相与缺陷

XRD(002)由9.02°→8.71°显著左移，证实层间扩展；Raman出现J1–J3峰并伴随E12g红移/展宽，指向1T增强与Mo–S键弱化。N₂吸脱表明介/微孔并存，比表面积升至16.94 m²·g^-1，源于空化致孔；EPR g≈2.003与ICP共同量化S空位，F-MoS₂为11.79%，D-MoS₂达14.87%，显著提升活性位与润湿性。

图3电化学动力学

D-MoS₂在10 mV·s^-1比电容达275.16 F·g^-1，b=0.91，10 mV·s^-1电容贡献84.3%，GCD近三角形体现优良可逆赝电容行为。EIS显示低Rs/Rct（14.13/16.12 Ω）与更大低频斜率，等效电路拟合与Warburg关系共同指向更快离子扩散和更佳电荷传输。

图4CDI性能与能耗

在0.8–1.2 V均优于对照；1.2 V兼顾抑制>1.23 V析水与提升效率。D-MoS₂的SAC达143.84 mg·g^-1（1.2 V），SAR初始峰值42.92 mg·g^-1·min^-1、平均4.79；Ragone右移表征高功率-容量协同。能耗最低1.52 kWh·kg^-1（500 mg·L^-1），充电效率可达119.95%；200次循环仍保留82.14% SAC，稳定耐久。

图5机理与选择性

充电时出现部分1T→2H转变、Mo 3d向高束缚能移动；放电后谱峰基本恢复，证实Zn²⁺(脱)嵌可逆且结构稳固。步骤化盐系（单/二/三元与真实比例）测试表明，D-MoS₂在复杂盐背景中均稳定优先吸附Zn²⁺而非Fe²⁺/Na⁺，源于Zn²⁺更低水化能与更小去溶剂化半径，利于快速插层。

图6DFT计算

缺陷-间距协同显著降低扩散能垒——表面由0.84降至0.57 eV，层间由0.68降至0.44 eV；Zn⟡⁺在多表面位点的结合能增强。14.87% S空位位于最优窗口（12.50–18.75%），兼顾更强吸附与更快扩散，解释了D-MoS₂在CDI中的高SAC与快速动力学优势。

结论

在这项工作中，我们通过F68辅助超声剥离策略合理设计了缺陷工程和层间扩展的1 T-MoS₂纳米片(D-MoS₂)，显著提高了CDI对Zn²⁺分离的性能。与F-MoS₂相比，D-MoS₂具有显著的Zn²⁺SAC (1.2 V时为143.84 mg⋅g⁻¹)和快速的平均SAR (4.79 mg⋅g⁻¹⋅min⁻¹)，显示了其对重金属离子的强亲和力和快速分离动力学。机理研究表明，层间距的扩大(从9.79 Å增加到10.12 Å)和s空位浓度的增加(从11.79%增加到14.87%)有效地增加了暴露的活性位点，降低了离子扩散阻力。密度泛函理论(DFT)计算证实，D-MoS₂在多个表面位点为Zn²⁺提供了更强的Eb，并显著降低了扩散障碍(表面从0.84 eV降至0.57 eV，层间从0.68 eV降至0.44 eV)，表明热力学和动力学有利性增强。原位XRD和原位XPS进一步验证了Zn²⁺的可逆(脱)插层行为在循环过程中保持结构的完整性。总的来说，这项工作建立了清晰的结构-性能相关性，其中层间距和缺陷密度的双重调节协同优化了Zn²⁺分离。提出的F68辅助剥离策略为设计具有定制层间结构的2D材料提供了一种简单而有效的方法，可用于高性能水净化和重金属离子去除应用。

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170405