電容去離子（Capacitive deionization,CDI）是一種近些年來新興的脫鹽技術,由于其常溫常壓操作、器件簡單、成本低、具有離子選擇性等潛在優(yōu)勢,引起了國內(nèi)外越來越多研究者的關注。然而,普通CDI技術的循環(huán)穩(wěn)定性不足和電荷效率偏低的問題一直以來都是阻礙CDI進一步發(fā)展及商業(yè)化的重大問題。在CDI的結(jié)構(gòu)基礎上,引入成對的離子交換膜（ion exchange membrane,IEM）,構(gòu)建膜電容去離子（membrane CDI,MCDI）可以大幅度提升CDI的電荷效率與循環(huán)穩(wěn)定性,是目前CDI實際應用的主流方式。然而,價格昂貴的IEM的加入,不單大幅度提升了設備成本,還帶來了結(jié)垢、生物污染以及阻抗上升等問題。如何減少使用昂貴的IEM、盡量使用價格低廉的活性炭（activated carbon,AC）電極,同時有效提升CDI的循環(huán)穩(wěn)定性與效率,是提升CDI經(jīng)濟性與實用性的重要問題。研究發(fā)現(xiàn)AC正負極上的不同副反應與同離子排斥效應,在CDI循環(huán)衰減和效率降低中扮演著不同的重要角色,有針對性地引入正負極法拉第電極材料與AC電極構(gòu)建不對稱的雜化CDI（hybrid CDI,HCD... 

【文章來源】：華東師范大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

全球缺水指數(shù)分布地圖[2]

2020年華東師范大學博士學位論文13圖1-2脫鹽技術的分類[4]：(a)以RO為代表的壓力驅(qū)動脫鹽技術；(b)以MSF為代表的熱驅(qū)動脫鹽技術：(c)以ED為代表的電壓驅(qū)動脫鹽技術。Figure1-2Classificationofwaterdesalinationtechnology:(a)pressuredrivendesalination;(b)thermallydrivendesalination;(c)electricfielddrivendesalination.1.2基于碳材料的電容去離子技術1.2.1電容去離子技術概述與早期發(fā)展歷程電容去離子技術（capacitivedeionization,CDI）也被稱作電吸附，是近年來興起的新型脫鹽技術[5,6]。其基礎形式由一對多孔碳電極組成，當施加一個直流電壓（一般小于2V）后，處理液中的陰陽離子被分別儲存到正負多孔碳電極中的雙電層中，從而實現(xiàn)了脫鹽的目的（如圖1-3a所示）。當撤去電壓后，可以達到離子的釋放和電極的再生。相比較傳統(tǒng)的壓力、熱驅(qū)動脫鹽與ED技術，CDI表現(xiàn)出了不易結(jié)垢、結(jié)構(gòu)簡單、器件成本低、避免使用易受污染且昂貴的膜材料、具有離子選擇性等潛在優(yōu)勢[7]。圖1-3b顯示了21世紀以來CDI文章發(fā)表數(shù)量的統(tǒng)計，可見，近五年來關于CDI的研究數(shù)量經(jīng)歷了顯著的增長，受到了國內(nèi)外學術及工業(yè)界的廣泛關注和研究。

2020年華東師范大學博士學位論文14圖1-3(a)CDI脫鹽過程示意圖[5]；(b)2000年至2020年CDI相關論文發(fā)表情況統(tǒng)計（統(tǒng)計來源:webofscience）。Figure1-3(a)SchematicviewofCDIdesalinationprocess;(b)TheanalysisonthepapersonCDIpublishedfrom2000to2020(Statisticalsources:webofscience).CDI最早由Murphy等在1960年提出，并認為碳材料的離子吸附能力來源于其表面的醌類官能團的氧化還原活性[8]。以此為指導，Murphy等對CDI的正極探索以尋找與陰離子選擇性的小分子修飾碳材料為主[8]。隨后Evans等認為CDI脫鹽過程起初來源于陰極發(fā)生的法拉第反應提供的OH-離子，使碳材料表面基團離子化，從而實現(xiàn)離子交換為基礎的脫鹽過程[9]。到1970年后，Johnson等才開創(chuàng)性地提出了“電壓調(diào)節(jié)的離子吸附”機制，也就是目前所主流認可的雙電層機理，用于解釋CDI脫鹽過程[10]，并進一步證明了CDI脫鹽容量與碳材料有效比表面積和器件電壓的正比例關系[11]。Soffer等隨后進一步證明了微孔（0.5-2nm）對脫鹽容量的顯著貢獻[12]。從1990年開始，以炭氣凝膠為代表的一系列包含豐富微孔、介孔的碳納米材料逐漸被應用于CDI電極材料，極大提升了CDI器件的脫鹽容量，也因此引起了越來越多研究者對CDI的關注。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]N, F?Codoped Microporous Carbon Nanofibers as Efficient Metal?Free Electrocatalysts for ORR[J]. Tianle Gong,Ruoyu Qi,Xundao Liu,Hong Li,Yongming Zhang.  Nano-Micro Letters. 2019(01)
[2]水資源外交:中國周邊安全構(gòu)建新議題[J]. 李志斐.  學術探索. 2013(04)



本文編號：3086083