第一作者：馬杰
通訊作者（或者共同通訊作者）：于飛
通訊單位：同濟大學
論文DOI：
https://dx.doi.org/10.1021/acs.estlett.0c00027
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同濟大學環境科學與工程學院馬杰教授課題組采用化學共沉淀法合成尺寸均勻的尖晶石型鐵氧體ZnFe2O4納米顆粒，并將其作為電極材料應用于電容去離子中，實現了對水中鹽分的高效穩定去除。
背景介紹
電增強吸附又稱電容去離子（Capacitive Deionization，CDI）是近年來新型水處理技術熱點之一，可應用于濃水淡化、污染物去除、氮磷回收、硬水軟化和離子篩分，其中關于濃水淡化（脫鹽）的研究迅速增長。從傳統的碳基電極材料到法拉第電極材料，電容去離子技術的性能和內涵得到巨大的提升和拓展，而電極材料是電容去離子技術的核心，是提升吸附容量、去除效能和循環穩定性的關鍵，通過新型電極材料的設計和開發，對于有效推動電容去離子技術的規模化應用具有重要意義。
本文亮點
合成尖晶石型鐵氧體ZFO納米片電極材料并應用于除鹽水處理中；
ZFO納米片基電容去離子系統脫鹽容量可達136.6 mg NaCl/g ZFO；
電容去離子脫鹽系統吸附/脫附循環穩定運行200次。
圖文解析：
A. 材料表征
ZFO納米顆粒結晶良好，尺寸在30 nm左右，顆粒分布均勻。XRD譜圖和XPS分峰分析顯示ZFO的化學式符合ZnFe2O4構型。ZFO的比表面積（SSA）約為29 m2/g，盡管SSA值較低，但ZFO電極仍具有出色的脫鹽能力，表明贗電容脫鹽機理占優，而非依賴于大比表面積的雙電層脫鹽機制（EDL）。在充電過程中，電子被轉移到陰極，同時Na+被去除，而Cl-則通過EDL機理被固定在活性炭電極上。
圖1 ZFO的(a) SEM圖像，(b, c) TEM圖像，(d) EDS分析，(e) 脫鹽過程和ZFO晶體結構的示意圖，(f) SEM-mapping。
圖2 ZFO的(a) XRD，(b) N2吸附/脫附等溫線，(c) 孔徑分布擬合結果，(d) Zn 2p，(e) Fe 2p和(f) O 1s的XPS分峰擬合。
B. 電化學性能
電化學測試證明了ZFO電極的贗電容特性和穩定性，循環伏安（CV）曲線未出現可識別的氧化還原峰，相應地，在不同電流密度下的恒電流充電/放電（GCD）曲線也未出現平臺。在不同的電流密度下，充電和放電容量幾乎相等，表明庫侖效率較高。100個周期后CV曲線幾乎保持不變，電容保持率為~99.35％；同樣，經過100次充放電循環后，GCD曲線穩定，該結果表明ZFO在水環境中的電化學穩定性能優異。
圖3 (a) 在不同掃描速率下測得的CV曲線，(b) 掃描速率為5 mV/s的CV曲線，(c) 10 mV/s下100次循環后的CV曲線，(d) 不同電流密度下的GCD曲線，(e) 不同電流密度下的充放電容量，(f) 2 mA/cm2下100個循環后的GCD曲線。
C. 脫鹽性能
本文研究了不同工藝參數對脫鹽性能的影響。隨著電流密度的增加，脫鹽能力逐漸降低，而當降低電流密度時，脫鹽能力又回到高水平。在各種電流密度下工作后，脫鹽能力的保留率為~91.3％。當電壓范圍從±1.2 V擴大到±1.4 V時，性能從75.4 ± 4.7提升至120.6 ± 3.5 mg NaCl/g ZFO，電流和電壓的影響可以用最大允許電荷量（MAC）理論解釋。在±1.2 V的電壓范圍內，能耗為0.3 kWh/kg NaCl，在±1.6 V下，能耗提高到0.76 kWh/kg NaCl；相反，能量回收率從23.3％降低到9.2％。脫鹽的長循環測試結果顯示，脫鹽容量在200次循環過程中基本維持在~60 mg/g，且吸附與脫附容量相等。
與其它電極體系對比，ZFO電極在保持較高脫鹽容量的同時穩定性也很好。另外，Zn2+的含量對晶體形成和脫鹽性能也存在重要影響，相關數據和討論在SI中。
圖4 在不同(a) 電流密度，(b) 電壓范圍和(c) 初始NaCl濃度下的脫鹽容量，(d) 不同電壓下的能耗和能量回收率，(e) 在長循環脫鹽實驗中，第1、20和200個循環的電壓-時間曲線，(f) ZFO與其它新材料之間的脫鹽容量和循環穩定性的比較，(g) 電流密度（40 mA/g）和電壓范圍（±1.2 V）下的長循環性能， (h) 長循環脫鹽實驗前后ZFO電極的SEM圖像。
總結與展望：
在該項研究中，鋅尖晶石型鐵氧體納米粒子無需進行化學修飾和改性（如碳包覆等），材料合成和電極制備方法簡單。最佳條件下（ZFO電流密度為30 mA/g、電壓范圍為±1.4 V、初始濃度為100 mM），脫鹽容量可達到136.6 mg NaCl/g ZFO。此外，電容去離子除鹽系統在10多天的運行過程中，仍然保持良好的脫鹽容量和電極穩定性，顯示出良好的應用前景。同時，該研究初步評估了小型的CDI系統的成本（$ 0.33 / g NaCl），低成本來源于簡單的合成方法和優異的脫鹽效能，體現出贗電容電極材料ZFO在實際脫鹽中的巨大應用潛力和發展前景。
課題組介紹
