电容去离子利用静电吸附作用从水中去除离子的脱盐技术，具有环保、节能和高效的优点，尤其在低浓度咸水脱盐领域受到广泛关注。然而，在CDI技术的应用过程中，电极材料的选择对于性能发挥有着重大影响。对于制备具备高比表面积、高介孔率、优良导电性以及良好润湿性的电极材料，在CDI中实现高效脱盐仍然具有挑战性。

近日，南京理工大学李健生教授和朱志高副教授团队在《Carbon》期刊上发表了最新研究成果“ZnFe₂O₄-infused hierarchically porous carbon nanofiber electrode for enhanced capacitive deionization”。该研究采用静电纺丝工艺并经过热处理制备了FeⅢ-MOF-5/树脂/聚丙烯腈复合纤维，并经过碱活化和高温煅烧制备了具有ZnFe₂O₄掺杂的多级孔碳纳米纤维复合电极（C-MBPAN）。SEM与TEM图像显示，直径为20~60 nm的ZnFe₂O₄纳米颗粒镶嵌在多孔碳纤维的表面。此外，HRTEM，SAED及EDS证明了ZnFe₂O₄均匀的负载在多孔碳纤维上。

图1：C-MBPAN电极在不同制备阶段的微观形貌表征。

如图2所示，C-MBPAN电极的循环伏安曲线展现出对称的近似矩形形态，且无明显氧化还原峰出现，表面C-MBPAN电极显示出类电容器的特性。通过循环伏安曲线计算得到了C-MBPAN电极的电容量。当扫描速率为1 mV s⁻¹时，C-MBPAN电极呈现出149.3 F g⁻¹的比电容（Cs），优异于单组份的多孔碳纤维电极（C-PAN）。另外，C-MBPAN电极的恒流充放电曲线呈现近乎对称的三角形，并且在不同电流密度下都显示出最长的充放电时间，这证明了其优秀的离子存储性能。电化学阻抗谱的测量结果进一步证实，C-MBPAN电极显示出最陡的斜率和最低的总电阻（Rs），这暗示了它具有更快的离子扩散速率。

图2：C-MBPAN电极的电化学性能。

此外，C-MBPAN具有优异的脱盐性能，在浓度100 mg L⁻¹ NaCl溶液中，外加电压为1.0 V和1.6 V时，盐吸附容量分别达到了41.61和48.79 mg g⁻¹，优于大多数碳电极材料。C-MBPAN出色的吸附性能是由赝电容和电双层（EDL）电容的协同作用所致。一方面，ZnFe₂O₄在吸附过程中形成水合壳层或结晶水，有助于离子传输；另一方面，多孔碳纳米纤维具有极高的比表面积和孔容，为离子存储提供了丰富的吸附位点。因此，C-MBPAN多孔碳纳米纤维电极作为一种高效且稳定的离子去除材料，在电容去离子领域具有潜在的应用前景。

图3. 不同碳基电极材料脱盐性能的比较及C-MBPAN电极脱盐机理示意图。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622323010060?dgcid=author

人物简介

通讯作者：李健生

南京理工大学环境工程系教授，博士生导师，从事面向污染控制的膜分离及催化技术研究。以第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev., Chem, Angew Chem. Int. Ed., Adv. Fun. Mater., Environ. Sci. Technol., Water Res., Appl. Catal. B, J. Membr. Sci.发表SCI论文179篇，1篇入选2019中国百篇最具影响国际学术论文，获2021 Environ. Sci. Technol.最佳论文奖，先后入选ESI热点论文5篇/高被引论文17篇。SCI引用14900余次（h因子67），入选2021/2022爱思唯尔“中国高被引学者”榜单（环境科学与工程学科）及2021/2022/2023年全球前2%顶尖科学家终身科学影响力和年度科学影响力榜单。研究成果获省部级科技奖励7项。

通讯作者：朱志高

南京理工大学环境工程系副教授，硕士生导师。研究方向面向高盐水处理与资源化的分离及吸附技术研究。目前以第一或通讯作者在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Environ. Sci. Technol., Resour. Conserv. Recy., Carbon, J. Membr. Sci., Desalination等期刊发表SCI论文30余篇，先后入选ESI高被引论文5篇，入选2022/2023年全球前2%顶尖科学家榜单。

第一作者：崔详柯，南京理工大学环境与生物工程学院2021级硕士研究生。