全球淡水资源需求持续攀升，迫切需要高效、低能耗、可规模化应用的脱盐技术。与反渗透、电渗析等工艺相比，电容去离子（CDI）具有低电压驱动、可再生、结构简单等优势，成为处理中低浓度盐水的重要技术。在CDI体系中，如何提高离子传输速率和电荷效率仍然面临着巨大挑战。
近日，新疆大学王鲁香研究员团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Acceleration ion desolvation boosts the sodium ion storage capacity in coal-based hollow carbon nanofibers”。该研究以煤为碳源，通过同轴静电纺丝法构筑了具有中空结构与超微孔壁的自支撑碳纳米纤维电极，系统揭示了“脱溶剂化-扩散耦合”机制，有效提高了电极的CDI性能。
图1煤基中空碳纳米纤维制备示意图及其形貌和组成分析
团队通过同轴静电纺丝结合原位碳化策略制备出富含超微孔壁的煤基中空碳纳米纤维（HCNFX）。通过调控内层纺丝液的推注速率，可获得不同中空管径与壁厚的中空碳纳米纤维，最佳样品HCNF0.06具有均匀连续的中空通道（内径约664 nm，壳层约113 nm）和更高的超微孔体积分数，抗拉强度达到3.64 MPa，可直接作为自支撑电极材料。
图2 HCNFX的CDI性能测试
在对称CDI测试中，HCNF0.06具有最高的脱盐速率和脱盐容量（6.33 mg g-1 min-1，46.50 mg g-1），显著优于实心碳纤维（CNF）及其他管径的HCNF电极，经过100次循环后仍能保持初始脱盐容量的93%以上，体现出良好的循环稳定性。同时，HCNF0.06具有最高的电荷效率和最低的比能耗，说明其电荷利用更充分、无效能量损耗和副反应更少。HCNF0.06优异的性能源于其独特的中空结构且富含微孔的薄壁，中空通道不仅有效降低了离子迁移路径与传输能垒，加速电极内离子的传输与扩散，而且丰富的超微孔为Na+提供了有利的限域环境，实现部分脱溶剂化，促进Na⁺在电极界面上的快速存储与释放。
图3 瞬态传质模拟
利用COMSOL模拟进一步揭示了低曲折度中空通道与超微孔限域的协同作用，HCNF0.06显示出更均匀的电势分布与更快的壳层电荷演化，浓度场中Na+富集更显著。活化能的显著降低，证实了超微孔孔隙与中空结构是提升CDI性能的关键因素，揭示了“脱溶剂化-扩散耦合”机制。
该研究以来源丰富、成本低廉的煤作为前驱体，利用可规模化制备的同轴纺丝工艺构筑自支撑电极，为低成本、高性能的CDI自支撑电极的设计提供了新路径。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725129975?via%3Dihub
人物简介：
王鲁香，新疆大学化学学院研究员，博士生导师，主要从事煤基碳材料及其复合材料的制备、改性和应用等方面的研究工作，先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、新疆维吾尔自治区重点研发计划等省部级科研项目20余项。2013年入选自治区青年科技创新人才培养工程，2014年入选中国科学院“西部之光”人才培养计划，2016年入选国家“万人计划”科技创新领军人才后备人选，2021年获自治区杰出青年科学基金资助，2023年入选“天山英才”青年科技创新人才培养计划。先后在Advanced Functional Materials, Advanced Composites and Hybrid Materials, Applied Catalysis B: Environment and Energy等重要期刊上发表SCI论文100余篇，获国家发明专利7件，相关研究成果获2013年、2017年新疆维吾尔自治区科技进步一等奖，2020年新疆维吾尔自治区自然科学一等奖。
马庆涛，新疆大学化学学院副教授，主要从事高性能电极材料及二次电池界面改性的研究工作。2020年入选上海市“超级博士后”计划，2023年入选新疆自治区“天池英才”青年博士人才培养计划。近五年先后主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、自治区重点研发项目课题等项目。先后在Angewandte Chemie, Advanced Functional Materials, Small等重要期刊上发表SCI论文20余篇。
雒婉霞，新疆大学创新创业导师，新疆维吾尔自治区疾病预防控制中心正高级实验师。长期致力于新型功能材料的构筑及其在有毒有害污染物的分离控制、迁移转化机制等方面的研究工作。近年来在Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, Carbon, Journal of Colloid and Interface Science等重要期刊上发表学术论文20余篇，申请和获得国家知识产权9项。
