Ti3C2 MXenes衍生的NaTi2(PO4)3/MXene纳米复合物用于快速高效杂化电容去离子脱盐- 大数跨境

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Ti3C2 MXenes衍生的NaTi2(PO4)3/MXene纳米复合物用于快速高效杂化电容去离子脱盐

科学材料站

2020-10-07

导读：该文章详细阐述了由Ti3C2 MXenes到NaTi2(PO4)3/MXene（NTP/M）纳米复合物的衍化过程，同时所合成的NTP/M作为负极材料在HCDI器件中表现出了卓越的脱盐性能。

文章信息

Ti3C2 MXenes衍生的NaTi2(PO4)3/MXene纳米复合物用于快速高效杂化电容去离子脱盐

第一作者：陈泽秋

通讯作者：潘丽坤*，徐兴涛*， Yusuke Yamauchi*

单位：华东师范大学，日本物质材料研究所，昆士兰大学

研究背景

随着全球清洁水日益匮乏，发展先进的脱盐技术，淡化海水或苦咸水成为了缓解水危机的重要途径。电容去离子（CDI）是一种新兴的盐水淡化技术，在过去的数十年备受关注。但由于使用的多孔碳电极脱盐性能有限，严重制约了CDI技术的发展。基于此，以法拉第材料取代一侧碳电极，发展而来的杂化CDI（HCDI），显示出了更优的脱盐效能。

最近的研究在开发新的钠离子嵌入基质材料方面取得了巨大进展。NaTi2(PO4)3（NTP）作为典型的钠离子嵌入材料近年来在HCDI领域引起了广泛关注。但是，NTP固有的低电导率和高的接触电阻严重限制了其离子嵌入动力学速率，进一步限制了其脱盐性能和速率。

因此，本文以Ti3C2 MXenes作为Ti源合成了NaTi2(PO4)3/MXene杂化复合物，改善NTP材料的导电性，从而达到快速高效的HCDI脱盐性能。

研究背景

近日，来自华东师范大学的潘丽坤教授、日本物质材料研究所的徐兴涛博士及昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（影响因子：10.652）上发表题为“Ti3C2 MXenes-derived NaTi2(PO4)3/MXene nanohybrid for fast and efficient hybrid capacitive deionization performance”的研究文章。

该文章详细阐述了由Ti3C2 MXenes到NaTi2(PO4)3/MXene（NTP/M）纳米复合物的衍化过程，同时所合成的NTP/M作为负极材料在HCDI器件中表现出了卓越的脱盐性能。

图1. NTP/M纳米复合物的合成过程。

图2. HCDI流程示意图，（a）充电（脱盐）过程；（b）放电（再生）过程。

本文要点

要点一：Ti3C2 MXenes作为Ti源合成NaTi2(PO4)3/MXene纳米复合物

目前报道将碳材料和NaTi2(PO4)3结合形成纳米复合物，可以解决NTP固有的低电导率和高的接触电阻问题，但这些策略需要复杂且耗时的过程，且引入的双电层电容型碳材料会限制复合物脱盐速率和脱盐性能。Ti3C2 MXene是一种新型2D过渡金属碳化物材料，因为它具有合适的夹层间距及出色的离子存储能力和高电导率，近些年来备受关注。

在本工作中，我们展示了一种合成NTP导电纳米复合物的新策略，即通过将Ti3C2 MXenes作为Ti源进行一步水热转化合成NaTi2(PO4)3/MXene（NTP/M）纳米复合物。

在所合成的复合物中，MXene的引入不仅可以增强电荷传输能力，还可以加快离子传输速度，并在脱盐过程中能储存更多的离子。对比纯的NTP，所合成的纳米复合物显示出更优的电化学性能。

图3. NTP / M的（a，b）TEM和（c）HRTEM图像

要点二：NTP/M纳米复合物在HCDI系统中显示出卓越的脱盐性能

通过将所合成的NTP/M纳米复合物与活性炭组成HCDI装置，我们研究了该HCDI 装置在NaCl溶液（约1000 mg L-1）及不同电压（1.2、1.4、1.6、1.8V）下的脱盐性能。

MXene与NTP交互连接的结构可有效增强复合物在HCDI系统中的脱盐能力，特别是外加电压1.8V时，可以达到29.6 mg g-1 min-1的最大脱盐速率以及128.6 mg g-1的高脱盐容量，远高于过去报道过的法拉第电极材料。

此外，HCDI系统循环稳定性测试表明，在20圈长循环后没有明显的容量衰减，表明所制备的NTP/M具有良好的稳定性。

图4. HCDI脱盐性能：在不同电压下（a）电导率变化，（b）电流变化和（c）Ragone图。（d）1.8V电压下20圈长循环的脱盐容量变化以及相应的电导率的变化。

要点三：前瞻

当前本论文研究了以MXene作为Ti源合成高性能的NTP/M材料作为HCDI的电极，在电化学脱盐领域展现了良好的应用前景。

然而如何进一步降低MXene的制备成本以及优化其性能以期获得更高脱盐率和脱盐速率的MXene基复合电极材料，从而实现快速和高浓水脱盐（如海水淡化），是未来仍需重点解决的课题。

文章链接

Ti3C2 MXenes-Derived NaTi2(PO4)3/MXene Nanohybrid for Fast and Efficient Hybrid Capacitive Deionization Performance

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720332757

通讯作者介绍

潘丽坤教授，华东师范大学物理与电子科学学院、上海市磁共振重点实验室教授、博导

目前研究方向为功能材料及其在储能、脱盐、柔性和智能传感器件领域的应用。已在国际期刊上发表SCI论文300余篇(共计20多篇入选ESI高被引论文)，其中第一/通讯作者SCI论文210余篇，被引用15000多次，H指数66（谷歌学术）。现担任 Journal of Colloid and Interface Science的编委。

徐兴涛博士，研究员

博士毕业于华东师范大学潘丽坤教授课题组，研究课题为电容去离子。目前担任日本物质材料研究所（NIMS）JSPS外国人特别研究员（合作导师为Yusuke Yamauchi教授），研究方向为劣质（污染）地下水利用与修复。在EnergyChem、Adv. Mater.、ACS Nano、Mater. Horiz.、ESM等期刊发表论文60余篇（共计7篇入选ESI高被引论文，1篇入选ESI热点论文），其中第一/通讯作者论文40余篇。截至目前引用次数总计2900余次，H指数32（谷歌学术）。

Yusuke Yamauchi 教授，昆士兰大学化工学院、澳大利亚生物工程和纳米技术研究所（AIBN）教授、博导

日本物质材料研究所（NIMS）客座PI，澳大利亚ARC未来学者（Future Fellow）。研究方向为无机纳米构造学及应用。在Nat. Chem.、Nat. Protoc.、Nat. Comm.、JACS、ANGEW、AM、Chem、Joule、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文800余篇，引用次数总计42000余次，H指数108（谷歌学术），入选汤森路透（现科睿唯安）全球高被引科学家榜单（2016-2019）。现担任Journal of Materials Chemistry A和Chemical Engineering Journal副主编。

第一作者介绍

陈泽秋，华东师范大学物理与电子科学学院，在读博士研究

研究方向为电容去离子材料的设计与研究，导师为潘丽坤教授