第一作者：马杰

第二作者：梁淑贞

通讯作者：马杰、阿不都卡德尔·阿不都克尤木、潘芳慧

通讯单位：喀什大学

论文DOI：10.1002/cssc.202402563

图文摘要

研究背景

本文聚焦电容去离子技术（CDI）中碳材料的选择性离子分离，其研究背景主要源于全球水问题及CDI技术的发展现状：

1. 水问题驱动：全球面临水资源短缺和水污染挑战，高效环保的水处理技术成为关键研究方向。

2. CDI技术优势：CDI作为新兴脱盐技术，具有低能耗、无二次污染、易操作等优点，在学术领域备受关注并取得研究进展。其基本原理是在电场作用下实现离子吸附和解吸，形成双电层。

3. 选择性需求凸显：不同废水中离子类型多样且有害，选择性去除成为CDI未来应用的关键功能。同时，CDI还能实现对有价值离子的选择性富集和利用，达到污染修复与资源回收的双重效果。

4. 碳材料的应用与局限：碳材料因高比表面积、良好导电性、多孔结构和低成本等优势，成为CDI电极的首选材料。然而，其离子选择性欠佳，提升碳材料的离子选择性可增强CDI对目标污染物的选择性去除能力，这是其他脱盐技术难以解决的环境挑战。

5. 研究空白：目前关于CDI用碳材料选择性离子分离能力的全面综述较少，本文旨在填补这一空白。

有鉴于此，喀什大学土木工程学院马杰院长团队环境生态修复功能材料与技术团队首次全面分析了具有选择性离子分离功能的碳材料在电容去离子化（CDI）中的应用，重点介绍了该领域的最新进展、挑战和未来发展方向。相关成果发表在国际学术期刊ChemSusChem期刊上。

主要亮点

聚焦离子选择性

首次系统总结了碳材料在电容去离子化（CDI）中选择性离子分离的研究进展，填补了传统CDI技术在离子选择性方面的研究空白。

全面剖析碳材料

详细分析了活性炭、碳纳米管、石墨烯和碳气凝胶等碳材料的性能特点及其改性策略，为材料选择提供了科学依据。

多维度调控机制

提出了孔结构设计、表面功能化和操作参数优化等多种策略，为提升离子选择性提供了系统性解决方案。

广泛的应用前景

涵盖了从重金属去除到海水淡化资源化、资源回收等多个领域，展示了CDI技术的应用潜力。

未来挑战与创新方向

指出了开发先进材料、优化电化学条件、规模化应用及人工智能集成等未来研究方向。

图文导读

CDI技术与碳材料

CDI因其能源效率和环境可持续性而成为一种前景广阔的海水淡化方法。碳基材料，如活性炭、碳纳米管、石墨烯和碳气凝胶，由于其优异的导电性、高比表面积和化学稳定性，被广泛用作CDI系统中的电极材料。然而，一个关键局限性：传统碳材料缺乏固有的离子选择性，这限制了其在目标离子去除和资源回收中的应用。

CDI碳材料选择去除目标离子主要依靠双电层效应、离子交换膜的作用、孔径的影响以及表面改性等。这些机制共同作用使得电容去离子技术在海水淡化、去除工农业用水污染物和生活用水软化等领域具有广泛的应用前景。

图1 CDI选择性碳材料文献调研

典型碳材料及其改性

该综述详细比较了各种碳材料的优缺点：

活性炭：成本低，但去离子效率和选择性差。通过酸处理、引入官能团等可提高对特定离子（如硫酸根、硝酸根）的选择性。

碳纳米管（CNTs）：具有高比表面积和良好导电性，但生产成本高、分散性差。通过掺杂或复合等改性方法可提高对特定离子（如铜离子、磷酸根）的选择性。

石墨烯：理论比表面积高、导电性好，通过氧化还原、表面改性及复合等方法可提高对特定离子（如重金属离子、铀离子）的选择性，但在实际应用中面临选择性、稳定性和成本等挑战。

碳气凝胶：比表面积高、吸附位点丰富，通过调节孔径分布和表面化学性质可实现对特定离子（如钙离子、钠离子）的选择性分离。

作者强调，通过化学或物理方法对这些材料进行改性可以显著提高其离子选择性。

图2 不同CDI碳材料选择性发展历程

离子选择性调控机制

该综述概述了增强碳基CDI系统离子选择性的三种主要策略：

孔道调控：设计合适的电极孔结构，可基于离子大小实现选择性识别和分离，优化孔特征可以有效实现CDI选择性去离子。

表面功能化：通过调整表面官能团和电荷分布，可实现对特定离子的选择性吸附，主要机制包括提供活性中心、改变电子结构等。

操作参数优化：施加电压、溶液流速和pH等操作参数显著影响离子选择性，需根据水质和处理要求优化参数以实现最佳离子去除和选择性。

选择性CDI的应用

作者讨论了选择性CDI在多个领域的潜在应用，包括：

重金属离子去除：CDI技术可选择性去除废水中的重金属离子（如铅、铜、镉等）和放射性铀离子，但需进一步研究提高电极材料的稳定性和再生性能，降低成本。

营养物质回收：CDI碳材料可选择性吸附和回收废水中的氮、磷等营养物质，有助于资源再利用和环境保护。

海水淡化资源化：CDI是一种有吸引力的海水和苦咸水淡化技术，高性能碳材料的发展将推动其在海水淡化中的广泛应用。

水软化：CDI碳材料对水中的硬离子（如钙离子、镁离子）具有显著的选择性去除能力，可实现水的软化。

图3 CDI选择性碳材料不同应用领域

文献链接：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202402563