Porøse kulstof nanofibre demonstrerer exceptionel kapacitiv deionisering

Kapacitiv deionisering (CDI) er energetisk gunstig til at deionisere vand, men eksisterende metoder er begrænset af deres afsaltningskapacitet og tidskrævende cyklusser på grund af utilstrækkelige ion-tilgængelige overflader og langsom elektron/ion-transport. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Tianyu Liu og et forskerhold i afdelingerne for kemi, civil- og miljøteknik, og nanovidenskab hos Virginia Tech, OS., demonstreret porøse kulfibre (PCF) som et effektivt CDI-materiale. De udledte PCF'erne fra mikrofasesepareret poly(methylmethacrylat)- blok -polyacrylonitril (PMMA-b-PAN). De resulterende PCF'er opretholdt rigelige og ensartede mesoporer forbundet med mikroporer for at danne en hierarkisk porøs struktur med en stor, ion-tilgængeligt overfladeareal og høj afsaltningskapacitet. De kontinuerlige kulfibre og det indbyrdes forbundne porøse netværk tillod hurtig elektron/ion-transport for at opretholde en høj afsaltningshastighed. Arbejdet fremhæver løftet om copolymer-baseret PCF for høj kapacitet og høj hastighed CDI.

Den stigende tilbagetrækning og ujævne fordeling af ferskvand stiller kritiske udfordringer til den tekniske og socioøkonomiske udvikling. Afsaltning er en lovende tilgang baseret på et stort havvandsreservoir for at afhjælpe ferskvandsmanglen. Omvendt osmose og termisk destillation er udbredte teknikker til at behandle havvand eller brakvand med høje saltkoncentrationer, selvom sådanne metoder er energikrævende og dyre, når saltkoncentrationerne er lave. Som et alternativ, Kapacitiv deionisering (CDI) kan fjerne ioner gennem elektrosorption eller pseudokapacitive reaktioner til afsaltning af vand med lave saltkoncentrationer.

Materialeforskere bruger porøse kulstoffer som primære CDI-elektrodematerialer på grund af deres høje elektriske ledningsevne, stort overfladeareal, skræddersyet struktur og fremragende stabilitet. Eksempler inkluderer aktivt kul (AC), graphene aerogeler og makroporøse carboner afledt af biomasse. Imidlertid, afsaltningskapaciteten og -hastigheden af ​​sådanne materialer skal stadig forbedres. Baseret på den begrænsede ydeevne af mikroporøse og makroporøse materialer, Liu et al. antage, at kulfibre vil være i stand til at opnå høje afsaltningskapaciteter på grund af den indbyrdes forbundne hierarkiske arkitektur. I dette arbejde, holdet demonstrerede porøse kulfibre (PCF'er) som overlegne elektrodematerialer til kapacitiv deionisering. Innovationen af ​​teknikken her beroede på designet af carbonelektrodeprecursoren på molekylært niveau. Liu et al. brugte en blokcopolymer til at skabe PCF'er gennem elektrospinning, oxidation, stabilisering, og pyrolyse. Det resulterende store effektive afsaltningsoverfladeareal med rigelig og ensartet arkitektur forbedrede afsaltningskapaciteten ved at tillade hurtig elektrontransport og hurtig iondiffusion.

At designe materialer til CDI, holdet studerede tre kulstofmaterialer, inklusive blokcopolymer-baseret PCF (porøse kulfibre) med stort ion-tilgængeligt overfladeareal. Holdet testede også industrielle PAN (polyacrylonitril)-baserede kulfibre (CF) og aktivt kul (AC). Det fibrøse kulstof og indbyrdes forbundne mesoporer muliggjorde kontinuerlige og effektive transportveje for elektroner og ioner, samtidig med at den indre modstand af afsaltning i celler reduceres og afsaltningshastigheden forbedres. I modsætning, de andre materialer havde begrænset overfladeareal til elektrosorption af ioner og en forringet afsaltningshastighed. Holdet overholdt derefter alle tre materialer; PCF, CF og AC til fortinnet kobberbånd og brugte dem som elektroder i CDI-celler. Ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder bemærkede de forskellige udseender for de tre forskellige materialer. Baseret på de første resultater forventede de, at PCF ville udvise den højeste afsaltning.

Forskerne udførte derefter en række eksperimenter for at forstå de kemiske og elektriske egenskaber af alle tre materialer. Efter måling af vandkontaktvinklen mellem overfladen, de bemærkede en stor kontaktvinkel for AC-substrater, som repræsenterede en hydrofob (vandafvisende) grænseflade - uønsket til afsaltning af vandige opløsninger. I mellemtiden uden ledende tilsætningsstoffer, PCF- og CF-materialerne var stærkt elektrisk ledende i henhold til elektrokemisk impedansspektroskopi og firepunkts-probemålinger. Baseret på flere karakteristika, herunder hierarkiske porøse strukturer, effektivt overfladeareal, høj elektrisk ledningsevne og lav diffusionsmodstand, holdet besluttede, at PCF ville være et fremragende elektrodemateriale til CDI.

De demonstrerede PCF's afioniseringsevne ved at afsalte to kilder til vand, herunder kunstigt brakvand med natriumchlorid (NaCl) og syntetisk postevand med NaCl i koniske celler, med to symmetriske elektroder. De bestemte koncentrationerne ved hjælp af ionkromatografi og noterede, at NaCl-koncentrationen af ​​postevand var faldet til en ultralav koncentration efter fem deioniseringscyklusser. Liu et al. kvantificerede yderligere afsaltningskapaciteten og -hastigheden af ​​PCF ved hjælp af enkelt-cyklus-deionisering ved en påført forspænding på 1,0 V over de to PCF-elektroder for at observere faldende saltkoncentrationer fra 501,2 til 477,5 mg/L. Sammenlignet med, CDI-celler indeholdende CF og AC viste kun et lille fald i saltkoncentration ved samme spændingsforspænding. Afsaltningskapaciteten af ​​PCF, ved 30 mg _NaCl g _PCF ⁻¹ , udkonkurrerede andre kulstof CDI-elektroder og nåede en maksimal afsaltningshastighed på 38 mg g ⁻¹ min ⁻¹ cirka 40 gange hurtigere end kulstof nanorør, grafen, CF'er og andre tredimensionelle porøse kulstoffer.

Energiforbruget, der fulgte med PCF, var også lavt, og det alsidige materiale kunne fjerne andre almindelige kationer i vand, inklusive kaliumioner (K ⁺ ), magnesiumioner (Mg ²⁺ ) og calciumioner (Ca ²⁺ ). Kemiske reaktioner ændrede ikke overfladen af ​​PCF på grund af det elektriske dobbeltlag af CDI-celler, lader overfladen bevare sin afsaltningskapacitet uden tegn på nedbrydning eller væsentligt tab efter gentagne ladnings-afladningscyklusser. På denne måde Tianyu Liu og kolleger fremhævede blokcopolymer-baseret PCF som et højtydende elektrodemateriale til CDI, samtidig med at en ultrahøj afsaltningskapacitet opretholdes, overgår andre avancerede kulstofmaterialer. Liu et al. krediteret den ultrahurtige hastighed og høje kapacitet af afsaltning til den kombinerede strukturelle, fysiske og elektriske egenskaber ved PCF. I fremtiden, Liu et al. vil undersøge, hvordan egenskaberne ved PCF påvirker afsaltningsydelsen - de forventer en positiv sammenhæng mellem materialets overfladeegenskaber og kapacitiv deionisering. Forskerne foreslår yderligere tekniske strategier til at designe effektivt flow gennem kontinuerlige afsaltningsceller ved hjælp af PCF for yderligere at øge kapaciteten og hastigheden af ​​afsaltning.

© 2020 Science X Network