Yang Hui Ying教授JMCA：通过对层间距离调节可有效提高盐水淡化性能- 大数跨境

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Yang Hui Ying教授JMCA：通过对层间距离调节可有效提高盐水淡化性能

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2021-04-08

导读：该文章通过采用扩大WS2层间间距的办法将整体脱盐性能提升了30%。同时，通过超高导电性多孔自支撑气凝胶与WS2纳米结构的协同作用，达到80mg/g的超高除盐容量及3.9mg/g/min的超快除盐速率。

文章信息

通过对WS2的层间距离调节盐水淡化性能

第一作者：Sareh Vafakhah

通讯作者：Yang Hui Ying*，郭璐*

单位：新加坡科技与设计大学

研究背景

低能耗和高性能的海水淡化技术是未来可持续解决全球水危机的有效途径。电化学除盐系统，如电容去电离(CDI)，是一个可行的替代方案。为了应对对清洁水日益增长的需求，开发具有高水平海水淡化指标的先进电极材料势在必行。

近年来，嵌入电极(氧化还原活性电极)相对于碳基材料(表面吸附机理)受到了广泛关注，进一步推动了高容量CDI技术的发展。此外，嵌入电极的应用还将显著降低共离子效应，增加了传统CDI系统的能量利用效率。

文章简介

基于此，来自新加坡科技与设计大学的Yang Hui Ying教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Tungsten Disulfide-reduced GO/CNT Aerogel: A Tuned Interlayer Spacing Anode for Efficient Water Desalination”的文章。

该文章通过采用扩大WS2层间间距的办法将整体脱盐性能提升了30%。同时，通过超高导电性多孔自支撑气凝胶与WS2纳米结构的协同作用，达到80mg/g的超高除盐容量及3.9mg/g/min的超快除盐速率。

本文要点

图1. WS2/rGO-CNT 气凝胶的构建及其层间距表征。

通过多孔气凝胶的构建，将WS2纳米颗粒均匀的包裹在相互连接的氧化石墨烯结构中，没有任何明显的聚集。通过在多孔气凝胶中进一步加入碳纳米管，将显著减少WS2纳米颗粒的聚集，促进离子的扩散，增加了活性位点及整个结构的电导率。

同时，碳纳米管也被用来克服WS2和石墨烯之间固有的电荷不兼容性。通过TEM图像表征可直观观察到，WS2纳米颗粒的层间距在0.96nm左右，而经过退火后，此层间距会降低至0.65nm。

图2 WS2/rGO-CNT在三电极系统中的电化学表征及原位XRD验证层间距变化

峰移的降低(0.12 V vs. 0.15 V)表明，相比纯的WS2，WS2/rGO-CNT显示出更低的过电位及更高的离子传导速率，因此，证实了其具有更高的钠离子存储速率能力。而此促进主要归因于对WS2层间距的增加。

在原位XRD测试中，当电压增加到1.4 V时，观察到WS2的XRD谱线逐渐向低角度偏移，表明钠离子连续插入到WS2的结构中，并产生相应的晶格膨胀。从而形成可能的NaxWS2中间相，这与CV结果一致。

值得注意的是，在钠离子嵌入过程中更小的偏移值可以归因于WS2的层间距扩大，促进了层间离子的迁移。

图3 WS2/rGO-CNT气凝胶的盐水淡化性能研究

在1mA的电流下，WS2/rGO-CNT可获得80mg/g的超高除盐容量。同时，除盐速率最高可达到0.25 mg/g/sec。

要点总结

本工作采用简单的溶剂热法合成了自支撑气凝胶作为混合电容去电离电极，并提出了一种利用氧掺杂来设计WS2的层间距的通用有效策略。结果表明，由WS2/rGO-CNT阳极和rGO-CNT阴极组装HCDI器件具有80 mg/g的超高脱盐性能和超过50次的长期循环稳定性。

纳米结构氧化还原活性颗粒嵌入介孔互联石墨烯-碳纳米管框架中形成的协同效应导致了快速的表面氧化还原钠存储，在10 mA的大电流下，脱盐速率高达3.90 mg/g/min。通过循环伏安实验和原位XRD分析验证了插层机理，并通过不同扫描速率下的CV曲线计算了显著的赝电容贡献。

海水淡化实验参数表明，该系统具有超强的除盐容量、快速去除率和低能耗，是微咸水和海水淡化的理想选择。此外，层间距扩展的有效途径可以推广到大量的层状结构材料，使其具有稳定和优越的海水淡化能力和扩散速率，这对大规模工业化的发展具有重要的指导意义。

文章链接

“Tungsten Disulfide-reduced GO/CNT Aerogel: A Tuned Interlayer Spacing Anode for Efficient Water Desalination”

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta01347e#!divAbstract

通讯作者介绍

杨会颖，新加坡科技设计大学副教授。

2006年获新加坡南洋理工大学博士学位。随后获得新加坡政府授予的千禧博士后和李光耀学者奖励资助进行科研教学工作。2010年加入新加坡科技设计大学任教，随后在麻省理工学院机械工程系工作一年。现任美国材料学会，美国工程学会，新加坡物理学会，材料学会会员。2010年获新加坡欧莱雅女性国家科学家奖，2013年获新加坡杰出青年工程成就奖，2013年获陈嘉庚青年发明家奖，2014年获美国工程学会杰出青年奖，2018年获新加坡物理学会纳米科技奖。她主持多个国际、新加坡国家重大项目研究课题工作，主张通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术，相关成果已发表于Nat. Commun., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Letters.等。

课题组主页：https://people.sutd.edu.sg/~yanghuiying/。