2024年04月09日
近日，由西交利物浦大学理学院丁萌博士和化学系本科生共同参与的《利用Ti3C2Tx MXene原位生长尺寸可控的NaTi2(PO4)3并且解析其钠离子吸附行为和循环稳定性》与《一石二鸟：通过表面改性提升柔性Ti3C2Tx MXene薄膜电极的电容去离子性能》研究论文分别在期刊《分离与净化技术》和《材料化学A》上发表。这两项工作分别从电极材料结构设计和功能改性的角度提高二维碳化钛MXene复合物的吸附能力和长期稳定性，突破MXene在电容去离子应用中的技术瓶颈。
《利用Ti3C2Tx MXene原位生长尺寸可控的NaTi2(PO4)3并且解析其钠离子吸附行为和循环稳定性》—本科生黄天勤
电容去离子（CDI）技术是一种高效且环保的电化学脱盐方法。黄天勤同学解释说：“CDI利用外加电场将水中的离子吸附到电极表面，从而达到脱盐的目的。其低能耗、高效率及易于再生的特点使其在海水淡化和水处理领域备受关注。”
此次研究中，研究团队提出了一种创新的设计方案：在Ti3C2Tx MXene上原位生长NaTi2(PO4)3（NTP）纳米颗粒，并利用聚乙烯吡咯烷酮作为结构稳定剂，以优化反应动力学和结构稳定性。NTP@MXene电极的独特之处在于纳米立方NTP结构生长在MXene表面，通过NTP与MXene之间的Ti-O键合，显著提升了结构的稳定性和CDI性能。
经过详细的电化学测试和动力学分析，研究团队发现，在NTP与MXene的比例为50%的最佳条件下，NTP@MXene电极展现出优秀的脱盐能力，达到了171.43 mg g-1，离子吸附速率也高达4.37 mg g-1 min-1，且在100次循环后，其容量保留率仍保持在85%，显示出良好的循环性能。
黄天勤同学表示在科研领域，NTP@MXene CDI电极材料的开发为提升海水淡化能力和吸附率树立了新的里程碑。其优越的性能在海水淡化能力、离子吸附率及循环稳定性等方面均表现出色，为提升CDI技术的效率和效果开辟了新的道路。这项研究中的创新设计和深刻见解，也将激发电化学海水淡化领域的进一步探索，并推动可持续水处理方法的发展。
“对于公众而言，先进CDI技术的成功研发不仅为解决全球水资源短缺问题提供了新的可能性，也为推进可持续水管理提供了有力支持。” 黄天勤同学说。
《一石二鸟：通过表面改性提升柔性Ti3C2Tx MXene薄膜电极的电容去离子性能》—博士生黄楚涵
表面改性是另一种制备高性能电容去离子电极的重要手段。通过表面改性可以改变表面性质、结构和化学组成，从而改善其在液体界面的性能，或者提高其对特定物质的吸附能力，引入新的功能组分， 改善材料的力学性能和耐久性等等。表面改性也可以增强材料的表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性能，使其更适用于各种实际应用环境。
黄楚涵同学在本科毕业设计课题中专注于MXene表面改性，成功引入了一种MXene表面改性的新方法，利用抗坏血酸钠（SA）对MXene进行改性，获得柔性的自支撑MXene电极材料，显著提升了CDI电极的性能。SA中的抗坏血酸离子能够有效覆盖MXene表面的含氧官能团，而钠离子的插入则扩大了MXene的层间距，这一创新策略不仅增强了电极的抗氧化性，提高了CDI的循环稳定性，还显著提升了MXene的盐吸附容量和盐吸附速率。同时，相较于常规MXene复合物制备方法（例如：水热法、球磨法、高温退火法），该方法可在室温条件下进行，有助于规模化制备抗氧化的MXene复合材料。
据了解，经过改性后的SA-MXene具有出色的性能表现。其盐吸附容量达到了109.6 mg g-1，盐吸附速率高达17.5 mg g-1 min-1，且在80次循环后，其容量保留率仍保持在100%，展现出了优异的循环稳定性。柔性的自支撑结构进一步拓展了应用领域，可适应各种复杂形状和应用场景。这一研究成果为CDI电极材料的发展提供了新的可能性，有望推动电容去离子技术的进一步应用。目前，黄楚涵同学在西交利物浦大学继续攻读博士学位，进一步探究MXene复合物在海水淡化领域的巨大潜力。
该项目的指导老师丁萌博士表示：“我们对研究成果感到非常自豪，这不仅是对我们研究团队努力的肯定，也为电容去离子技术的发展注入了新的活力。我们期待这一成果能够在未来得到更广泛的应用，为解决全球水资源短缺问题提供新的解决方案。并且，通过暑期或毕业设计等科研项目，我们的本科生提高了科研能力和综合素质，培养了团队合作精神，相信有助于他们的未来学术研究或者职业发展。”
图1 抗坏血酸钠与MXene结合的示意图
图2 MXenes、8-SA-MXene、12-SA-MXene和16-SA-MXene随时间变化的图。这反映了材料的离子吸附特性。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586624003526
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/ta/d4ta00236a
2024年04月09日