在電容式去離子（CDI）海水淡化過程中，開發(fā)具有高吸附容量和快速吸附速率的電極材料至關(guān)重要。在這里，作者提出了一種高取向致密化石墨烯（HODG）電極，其特點是具有有序/短離子傳輸通道、豐富的氧官能團、高堆積密度（1.374 g cm
-3）和大比表面積（543.72 m
2 g
-1），有利于實現(xiàn)超快離子擴散和超高體積脫鹽能力。HODG 在 1 A g
-1 時的體積電容為 308 F cm
-3，在 1000 mg L
-1 NaCl 溶液中的體積鹽吸附容量（v-SAC）為 57.70 mg cm
-3，在 1.2 V 電壓下的吸附速度為 1.92 mg cm
-3 min
-1，創(chuàng)歷史新高。即使經(jīng)過 50 次吸附-解吸循環(huán)，它仍能保持 91.36% 的初始脫鹽能力。這種設(shè)計策略為合理優(yōu)化石墨烯結(jié)構(gòu)提供了一條新途徑，推動了高性能 CDI 電極材料向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。
Fig 1. 使用 HODG 電極進行 CDI 工藝的示意圖，HODG 電極具有高度定向結(jié)構(gòu)、高堆積密度、豐富的微孔/介孔和快速離子傳輸通道等優(yōu)點。
Fig 2. 制備過程和形態(tài)特征。(a) HODG 的制備過程示意圖。(b- g) 不同放大倍數(shù)下 (b) RDG、(c,d) HOG 和 (e-g) HODG3 的掃描電鏡圖像。(h-j）不同放大倍數(shù)下（h）RDG 和（i,j）HODG3 的 TEM 圖像。
Fig 3. 化學(xué)和孔隙結(jié)構(gòu)表征。(a) RDG 和 HODG3 的傅立葉變換紅外光譜、(b) 拉曼光譜和 (c) EDS 元素測量。(d,e) (d) RDG 和 (e) HODG3 的 C 1s 峰的高分辨率 XPS 光譜。(f) RDG 和 HODG3 的 Zeta 電位測量值和 (g) 水接觸角分析。(h,i) RDG 和 HODG3 的 N2 吸附-解吸等溫線以及相應(yīng)的孔徑分布曲線。
Fig 4. 電化學(xué)性能調(diào)查。(a) 掃描速率為 1 mV s -1 時的 CV 曲線；(b) 電流密度為 1 A g
-1 時 0-1.0 V 電位范圍內(nèi)的 GCD 曲線；(c) RDG、HOG 和 HODGs 電極的重量電容和體積電容。(d) 不同掃描速率下的 CV 曲線，(e) 0-1.0 V 電位范圍內(nèi)不同電流密度下的 GCD 曲線，以及 (f) HODG3 電極不同電流密度下的重力電容和體積電容。
Fig 5. CDI 性能。(a) CDI 裝置示意圖，其中 1 至 7 分別為有機玻璃板、集流器、活性電極、陰離子交換膜（AEM）、隔板、硅膠墊圈和陽離子交換膜（CEM）。(b) RDG、HOG 和 HODG3 內(nèi)部離子傳輸示意圖（從左到右）。(c) 500 mg L
-1 NaCl 溶液中 1.2 V 電壓下 RDG、HOG 和 HODGs 電極的 v-SAC。(d) RDG、HOG 和 HODGs 電極的 Ragone 圖。(e、f）在 500 mg L
-1 NaCl 溶液中，不同電壓（0.8、1.0、1.2、1.4 和 1.6 V）下 HODG3 電極的 v-SAC 和 v-SAR。(g、h）在不同濃度（100、250、500、750 和 1000 mg L
-1 ）的 NaCl 溶液中，1.2 V 電壓下 HODG3 電極的 v-SAC 和 v-SAR。(i) HODG3 電極與其他碳基 CDI 電極的 v-SAC 和 g-SAC 比較。(j) HODG3 電極在 500 mg L
-1 NaCl 溶液中 1.2 V 的循環(huán)穩(wěn)定性循環(huán) CDI 實驗。
相關(guān)研究工作由河北工業(yè)大學(xué)Zhi-yong Ji和Panpan Zhang課題組于2024年共同發(fā)表在《ACS Materials Lett》期刊上，Promoting Volumetric Desalination Rate and Capacity via Highly Oriented, Densified Graphene Architectures，原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c00946
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
