電容去離子（Capacitive deionization,CDI）是一種近些年來新興的脫鹽技術(shù),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(guān)注。然而,普通CDI技術(shù)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(jìn)一步發(fā)展及商業(yè)化的重大問題。在CDI的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(shí)際應(yīng)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(shè)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(jì)性與實(shí)用性的重要問題。研究發(fā)現(xiàn)AC正負(fù)極上的不同副反應(yīng)與同離子排斥效應(yīng),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(fù)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(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：130 頁

【學(xué)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(xué)博士學(xué)位論文13圖1-2脫鹽技術(shù)的分類[4]：(a)以RO為代表的壓力驅(qū)動脫鹽技術(shù)；(b)以MSF為代表的熱驅(qū)動脫鹽技術(shù)：(c)以ED為代表的電壓驅(qū)動脫鹽技術(shù)。Figure1-2Classificationofwaterdesalinationtechnology:(a)pressuredrivendesalination;(b)thermallydrivendesalination;(c)electricfielddrivendesalination.1.2基于碳材料的電容去離子技術(shù)1.2.1電容去離子技術(shù)概述與早期發(fā)展歷程電容去離子技術(shù)（capacitivedeionization,CDI）也被稱作電吸附，是近年來興起的新型脫鹽技術(shù)[5,6]。其基礎(chǔ)形式由一對多孔碳電極組成，當(dāng)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(fù)多孔碳電極中的雙電層中，從而實(shí)現(xiàn)了脫鹽的目的（如圖1-3a所示）。當(dāng)撤去電壓后，可以達(dá)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(shù)，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(jì)以來CDI文章發(fā)表數(shù)量的統(tǒng)計，可見，近五年來關(guān)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(xué)術(shù)及工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。

2020年華東師范大學(xué)博士學(xué)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(guān)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(rèn)為碳材料的離子吸附能力來源于其表面的醌類官能團(tuán)的氧化還原活性[8]。以此為指導(dǎo)，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(rèn)為CDI脫鹽過程起初來源于陰極發(fā)生的法拉第反應(yīng)提供的OH-離子，使碳材料表面基團(tuán)離子化，從而實(shí)現(xiàn)離子交換為基礎(chǔ)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(jī)制，也就是目前所主流認(rèn)可的雙電層機(jī)理，用于解釋CDI脫鹽過程[10]，并進(jìn)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(guān)系[11]。Soffer等隨后進(jìn)一步證明了微孔（0.5-2nm）對脫鹽容量的顯著貢獻(xiàn)[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(yīng)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(guān)注。

【參考文獻(xiàn)】：
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(xué)術(shù)探索. 2013(04)



本文編號：3086083