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我院分析化学科研团队张帅华副教授在电容脱盐领域取得重要研究进展发表时间:2022-04-20    作者:

近日,我院分析化学科研团队张帅华副教授在电容脱盐研究领域取得重要研究进展,研究成果发表在国际知名期刊Nano Energy(中科院一区,影响因子17.881)和Materials Horizons(中科院一区,影响因子13.266)上。

水资源短缺和水环境的污染是困扰社会可持续发展的重大问题,电化学去离子(electrochemicaldeionization,EDI)是一种从水溶液中脱除可溶性带电离子的新兴技术方法。作为一种低能耗,环境友好的脱盐技术受到关注,并在苦咸水淡化、海水脱盐、废水治理、高附加值离子的提取和有害离子的脱除等方面有潜在的应用前景。电容脱盐是一种新型的脱盐技术,通过输入电能,在电极表面发生氧化还原反应(法拉第反应)而提取盐溶液中的钠离子和氯离子,达到脱盐淡化的目的。然后再通过放电过程(两电极短接或反向施加电压)释放离子到浓盐水中,同时回收部分能量。

张帅华博士与日本国立物质材料研究所徐兴涛研究员等合作, 通过MOF-on-MOF策略在二维ZIF-L(Zn)上自组装ZIF-67,制备了具有核壳结构的ZIF-L@ZIF-67,碳化后生成氮掺杂碳@石墨化碳/碳纳米管异质结构(NC@GC/CNTs)。NC@GC/CNTs表现出较高的脱盐能力(77.33 mg g-1)、快速的脱盐速率和优异的CDI循环稳定性(50次,93.5%)。该异质结构巧妙地整合了内层ZIF-L-C和外层ZIF-67-C的优越性能:内部的ZIF-L为外层ZIF-67的定向生长提供了二维模板,其碳化后具有氮掺杂含量高、比表面积大等优点,在CDI过程中可容纳更多离子;外部的ZIF-67碳化转化为高度石墨化的GC/CNTs结构,提供快速的电子转移和良好的CDI循环稳定性,并解决了ZIF-L在碳化过程中结构可能发生的塌陷问题。该研究为高性能CDI提供了一种重要的CDI电极材料,也为制备MOF/MOF衍生碳材料提供了一条新的途径。论文发表在国际知名期刊Nano Energy(中科院一区,影响因子17.881)上: “MOF-on-MOF nanoarchitectures for selectively functionalized nitrogen-doped carbon-graphitic carbon/carbon nanotubes heterostructure with high capacitive deionization performance”

张帅华博士与徐兴涛研究员、澳大利亚昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授合作创新发展了单体介导无机-有机异质界面组装技术,用于合成二维过渡金属碳氮化物@共价有机骨架材料异质结构(MXene@COF)。MXene@COF异质结构兼具了MXene独特的二维结构、良好的导电性和可逆的离子嵌入/脱出能力,以及DAAQ-TFP-COF较大的比表面积和多级孔结构等优点。尤其是,DAAQ-TFP-COF不仅解决了MXene在含氧盐水的电容脱盐过程中纳米片堆叠和氧化失活问题,而且其骨架内丰富的蒽醌基团为吸附Na+贡献了额外的氧化还原赝电容。得益于无机-有机异质界面组装技术,MXene@COF异质结构在实际含氧的盐水中取得了良好的循环稳定性(100次,>92%)和较高的脱盐量(53.1 mg g-1)。该工作为MXene-organic异质结构的设计合成及其在电化学中的应用拓展了研究方向。论文发表在国际知名期刊Materials Horizons(中科院一区,影响因子13.266): “Heterointerface optimization in covalent organic framework-on-MXene for high-performance capacitive deionization of oxygenated saline water”。