广西大学|李凯教授团队/同济大学马杰教授团队CEJ：当 “自修复MXene水凝胶”遇上“电容去离子”- 大数跨境

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广西大学|李凯教授团队/同济大学马杰教授团队CEJ：当 “自修复MXene水凝胶”遇上“电容去离子”

科学材料站

2020-11-14

导读：该工作展示了一种自修复MXene水凝胶的制备方法，将其用作电容去离子电极，该电极具有良好的机械性能，自修复性能，出色的脱盐能力，证明了其在电容去离子中长循环应用的稳定性。

文章信息

高柔性、自愈性、导电聚乙烯醇/Ti3C2Tx MXene薄膜及其在电容去离子化中的应用

第一作者：艾珈伊，李坚斌

通讯作者：马杰

第一单位：广西大学

研究背景

工业化导致水污染加剧和全球变暖，地球上淡水资源的严重短缺已经威胁到人类和其他生物。对淡水的需求比以往任何时候都更加迫切。海水淡化技术是解决淡水资源短缺的战略之一。

目前，人们提出了多种策略，如多级闪蒸（MSF）、低温多效蒸馏（LT-MED）、反渗透（RO）和电容去离子（CDI）技术。CDI作为一种新兴的海水淡化技术受到了广泛的关注。与其他传统的海水淡化方法相比，CDI技术具有无二次污染、操作简单、工艺成本低等优点。然而，在钠离子插层和脱层过程中，CDI电极的膨胀和收缩导致微观上形成不可逆的裂纹，破坏了导电网络。

研究表明，活性炭电极制备的电极孔间连通性不足，孔径分布不合理，脱盐能力差。这些因素制约了电极的实用性、可靠性、稳定性和使用寿命。因此，制备稳定可靠的CDI电极仍然是一个值得研究的课题。

文章简介

近日，同济大学马杰教授课题组和广西大学李凯教授课题组合作在国际顶级期刊Chemical Engineering Journal (影响因子：10.652) 上发表题为“Highly Flexible, Self-Healable and Conductive Poly(vinyl alcohol)/Ti3C2Tx MXene Film and It’s Application in Capacitive Deionization”的研究工作。

本文介绍了一种自愈性MXene水凝胶的制备方法，并将其用作电容去离子电极。该电极具有良好的机械性能、自愈性和良好的脱盐能力，并证明了其长期循环应用的稳定性。

该文章共同第一作者为广西大学18级硕士生艾珈伊以及李坚斌教授，通讯作者为同济大学马杰教授。

本文要点

要点一：CDI电极的设计过程

本文采用简单的一锅法将聚乙烯醇（PVA）与MXene超分子连接，并用四羟基硼酸根离子动态交联PVA。这种相互作用使水凝胶具有自愈能力。用MXene水凝胶制备的CDI电极具有良好的机械性能、自愈性和脱盐循环稳定性。

图一 MXene水凝胶的合成原理及CDI电极制备

要点二：水凝胶的表征

水凝胶具有自由形成的特性，TEM显示了MXene纳米片的层状结构，SEM显示了水凝胶的三维网络结构，证明电子传输的三维连通性。接触角实验表明，该水凝胶电极具有良好的亲水性。

图二水凝胶的表征 (a) Ti3C2Tx MXene的SEM图像，(b,c)水凝胶冻干的SEM图像，(d)水凝胶的可塑性，(e) Ti3C2Tx MXene的TEM图像，(f) MNH的TEM图像，(g) MXene与MNH的XRD，(h) MNH在不同时间的接触角图像.

要点三：水凝胶自修复性能

作者首先研究了水凝胶的自愈性能，通过切割水凝胶并接触横截面一段时间后，从宏观上观察了水凝胶的自愈性能，证明水凝胶具有良好的自愈性能，能抵抗拉伸而不断裂。

为了进一步验证水凝胶的自愈性能，作者将一系列的LED灯组装在一起。在水凝胶的切割和自愈过程中，熄灭的小灯泡可以与水凝胶重新接触，再次点亮，证明水凝胶可以恢复电性能。

图三 MXene水凝胶的自修复性能 (a)原始，(b)分离，(c)自愈合，(d)愈合后的水凝胶被拉伸的图片。由绿色LED灯串联电路MNH组成的电路:(e)原始，(f)完全分离，(g)自愈合的样品图片

要点四水凝胶的机械性能

作者进一步探讨了水凝胶的机械强度。MXene的加入提高了水凝胶的力学性能，具有较高的拉伸强度和断裂伸长率，同时水凝胶10秒内自修复率可达92%。

此外，MXene水凝胶具有较高的抗压强度，在60%的应变下不会断裂。压缩循环试验表明，它具有优良的抗疲劳性能。

图四 MNH水凝胶的机械性能 (a、b)原始PVA水凝胶和MHN拉伸应变曲线以及愈合后的拉伸应变曲线以及对应的应力。(c)原始PVA水凝胶和含1wt% MXene的MHN的压缩应变曲线，(d) MHN的压缩加载-卸载曲线。

要点五电极的电化学性能

作者将水凝胶压入薄膜中制成电极。用循环伏安法和恒流充放电法对电极进行了测试。结果表明，通过GCD曲线计算出在1A·g-1的电流密度下比电容为5.5 mAh/g。同时电极具有良好的循环稳定性，循环100次循环后CV曲线无明显变化。

图五MNH电极的电化学表征(a)循环伏安曲线;(b)恒电流充放电曲线;(c)不同电流密度下的比电容;(d) 1mg cm-3 MHN电极电阻拟合曲线

要点六 MNH电极的脱盐性能

由于MNH电极表现出出色的电化学性能，作者进一步将MNH作为阴极电极组装了CDI装置，该阴极材料表现为出色的脱盐性能，平均去除率可达51mg/g, 并在80次长循环中轻微下降，证明了该电极具有出色的循环稳定性。

图六MNH用作CDI电极的脱盐性能 (a)电导率在前三周期发生的变化, (b)电势在前三个周期电流变化, (c)在不同的电流密度下盐吸附能力, (d)充电和放电段能耗计算示范, (e) 不同的电流密度下能量耗散和能量回收率, (f)在不同的电压窗口下的脱盐能力

结论

这篇文章展示了一种高柔性，高拉伸性，自修复MXene水凝胶的制备方法。通过简单的一锅法，可以很容易地将PVA与MXene超分子连接以及PVA与四羟基硼酸盐离子动态交联，这种相互作用使MNH具有自愈能力。

此外，这种由 MXene水凝胶制备的CDI电极具有良好的机械性能、自愈性和脱盐循环稳定性。大多数的CDI电极不具有自愈性能，而Mxene复合水凝胶电极可以在短时间内实现自愈。这些良好的循环稳定性和自愈性是CDI工作电极的关键。

水凝胶优异的力学性能有利于电极在微观和宏观尺度上的尺寸稳定性，具体来说，水凝胶电极的灵活性和三维稳定性使其能够在电容去离子循环工作期间愈合裂缝并承受应力。总之，本研究为电容去离子化领域的智能电极提供了一种新颖、稳定、自愈的水凝胶电极策略。

文章链接

Highly Flexible, Self-Healable and Conductive Poly(vinyl alcohol)/Ti3C2Tx MXene Film and It’s Application in Capacitive Deionization

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127256

通讯作者介绍

艾珈伊，广西大学在读硕士生。

研究方向为柔性自修复导电水凝胶的设计及其在电容去离子、柔性传感器等方面的应用。

E-mail：2625950583@qq.com

微信号：aijiayi_2014

李坚斌，广西大学教授，博士生导师。

主要从事糖类物质的生物利用及多糖类高分子结构修饰的创新系统研究，针对生物多糖研究中存在的分离纯化、活性检测、结构鉴定及构效关系等普遍性问题开展研究工作，在糖生物学研究领域具有创新性和理论研究价值。已在Food Hydrocolloids, Int. J. Biol. Macromol.，Journal of Molecular Structure，Journal of Food Measurement and Characterization等国际权威杂志发表学术论文80多篇，承担国家自然基金委、广西科技厅、企业等20多个科研项目，获得广西科技进步三等奖，中国有色金属工业科技进步二等奖，担任《农业工程学报》审稿专家，《甘蔗糖业》编委等多项学术任职。