电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

熊岳城 于飞 马杰

引用本文: 熊岳城, 于飞, 马杰. 电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006037-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006037 shu
Citation:  Yuecheng Xiong, Fei Yu, Jie Ma. Research Progress in Chlorine Ion Removal Electrodes for Desalination by Capacitive Deionization[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(5): 2006037-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006037 shu

电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

    作者简介:

    马杰,教授,博士生导师,2009年博士毕业于上海交通大学,长期从事环境修复材料及电容去离子电极材料的设计和开发,主持国家自然科学基金3项及多项省部级课题的实施;
    通讯作者: 马杰, jma@tongji.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21777118

摘要: 电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na+的去除与Cl-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。

English

    1. [1]

      Hoekstra, A. Y.; Mekonnen, M. M.; Chapagain, A. K.; Mathews, R. E.; Richter, B. D. PLoS One 2012, 7, e32688. doi: 10.1371/journal.pone.0032688

    2. [2]

      Shannon, M. A.; Bohn, P. W.; Elimelech, M.; Georgiadis, J. G.; Marinas, B. J.; Mayes, A. M. Nature 2008, 452, 301. doi: 10.1038/nature06599

    3. [3]

      Subramani, A.; Jacangelo, J. G. Water Res. 2015, 75, 164. doi: 10.1016/j.watres.2015.02.032

    4. [4]

      Porada, S.; Zhao, R.; van der Wal, A.; Presser, V.; Biesheuvel, P. M. Prog. Mater. Sci. 2013, 58, 1388. doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.03.005

    5. [5]

      Tan, C.; He, C.; Fletcher, J.; Waite, T. D. Water Res. 2020, 168, 115146. doi: 10.1016/j.watres.2019.115146

    6. [6]

      Zhou, X.; Zhao, F.; Guo, Y.; Zhang, Y.; Yu, G. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1985. doi: 10.1039/c8ee00567b

    7. [7]

      Liu, Y.; Jiang, Z.; Zhang, X.; Shen, P. K. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 20037. doi: 10.1039/c8ta07587e

    8. [8]

      Suss, M. E.; Porada, S.; Sun, X.; Biesheuvel, P. M.; Yoon, J.; Presser, V. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 2296. doi: 10.1039/c5ee00519a

    9. [9]

      Cao, J.; Wang, Y.; Chen, C.; Yu, F.; Ma, J. J. Colloid Interface Sci. 2018, 518, 69. doi: 10.1016/j.jcis.2018.02.019

    10. [10]

      Ma, J.; Wang, L.; Yu, F. Electrochim. Acta 2018, 263, 40. doi: 10.1016/j.electacta.2018.01.041

    11. [11]

      Suss, M. E.; Presser, V. Joule 2018, 2, 10. doi: 10.1016/j.joule.2017.12.010

    12. [12]

      Zhang, C.; He, D.; Ma, J.; Tang, W.; Waite, T. D. Water Res. 2018, 128, 314. doi: 10.1016/j.watres.2017.10.024

    13. [13]

      Yu, F.; Wang, L.; Wang, Y.; Shen, X.; Cheng, Y.; Ma, J. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 15999. doi: 10.1039/c9ta01264h

    14. [14]

      Ma, J.; Xiong, Y.; Dai, X.; Yu, F. Environ. Sci. Technol. Lett. 2020, 7, 118. doi: 10.1021/acs.estlett.0c00027

    15. [15]

      Pasta, M.; Wessells, C. D.; Cui, Y.; La Mantia, F. Nano Lett. 2012, 12, 839. doi: 10.1021/nl203889e

    16. [16]

      Cao, J.; Wang, Y.; Wang, L.; Yu, F.; Ma, J. Nano Lett. 2019, 19, 823. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b04006

    17. [17]

      Wang, K.; Liu, Y.; Ding, Z.; Li, Y.; Lu, T.; Pan, L. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 12126. doi: 10.1039/c9ta01106d

    18. [18]

      Ma, J.; Wang, L.; Yu, F.; Dai, X. Chem. Eng. J. 2019, 370, 938. doi: 10.1016/j.cej.2019.03.243

    19. [19]

      Ding, Z.; Xu, X.; Li, Y.; Wang, K.; Lu, T.; Pan, L. Desalination 2019, 468, 114078. doi: 10.1016/j.desal.2019.114078

    20. [20]

      Zhao, Y.; Liang, B.; Wei, X.; Li, K.; Lv, C.; Zhao, Y. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 10464. doi: 10.1039/c8ta12433g

    21. [21]

      Yin, H.; Zhao, S.; Wan, J.; Tang, H.; Chang, L.; He, L.; Zhao, H.; Gao, Y.; Tang, Z. Adv. Mater. 2013, 25, 6270. doi: 10.1002/adma.201302223

    22. [22]

      Lee, J.; Kim, S.; Kim, C.; Yoon, J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3683. doi: 10.1039/c4ee02378a

    23. [23]

      Chen, F.; Huang, Y.; Guo, L.; Ding, M.; Yang, H. Y. Nanoscale 2017, 9, 10101. doi: 10.1039/c7nr01861d

    24. [24]

      Nam, D. H.; Choi, K. S. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11055. doi: 10.1021/jacs.7b01119

    25. [25]

      Chen, F.; Huang, Y.; Guo, L.; Sun, L.; Wang, Y.; Yang, H. Y. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2081. doi: 10.1039/c7ee00855d

    26. [26]

      Biesheuvel, P. M.; van der Wal, A. J. Membr. Sci. 2010, 346, 256. doi: 10.1016/j.memsci.2009.09.043

    27. [27]

      Wu, T.; Wang, G.; Wang, S.; Zhan, F.; Fu, Y.; Qiao, H.; Qiu, J. Environ. Sci. Technol. Let. 2018, 5, 98. doi: 10.1021/acs.estlett.7b00540

    28. [28]

      Xi, W.; Li, H. Environ. Sci. Nano 2020, 7, 764. doi: 10.1039/c9en01238a

    29. [29]

      Smith, K. C. Electrochim. Acta 2017, 230, 333. doi: 10.1016/j.electacta.2017.02.006

    30. [30]

      Arulrajan, A. C.; Ramasamy, D. L.; Sillanpaa, M.; van der Wal, A.; Biesheuvel, P. M.; Porada, S.; Dykstra, J. E. Adv. Mater. 2019, 31, e1806937. doi: 10.1002/adma.201806937

    31. [31]

      Huang, Z. H.; Yang, Z.; Kang, F.; Inagaki, M. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 470. doi: 10.1039/c6ta06733f

    32. [32]

      王雷, 于飞, 马杰. 物理化学学报, 2017, 33, 1338. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704113Wang, L.; Yu, F.; Ma, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1338. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704113

    33. [33]

      Liu, Y.; Nie, C.; Liu, X.; Xu, X.; Sun, Z.; Pan, L. RSC Adv. 2015, 5, 15205. doi: 10.1039/c4ra14447c

    34. [34]

      Tang, K.; Hong, T. Z. X.; You, L.; Zhou, K. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 26693. doi: 10.1039/c9ta08663c

    35. [35]

      Srimuk, P.; Su, X.; Yoon, J.; Aurbach, D.; Presser, V. Nat. Rev. Mater. 2020, 5, 517. doi: 10.1038/s41578-020-0193-1

    36. [36]

      Sun, Z.; Chai, L.; Liu, M.; Shu, Y.; Li, Q.; Wang, Y.; Wang, Q.; Qiu, D. Sep. Purif. Technol. 2018, 191, 424. doi: 10.1016/j.seppur.2017.09.015

    37. [37]

      Zhao, W.; Guo, L.; Ding, M.; Huang, Y.; Yang, H. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 40540. doi: 10.1021/acsami.8b14014

    38. [38]

      Zhao, W.; Ding, M.; Guo, L.; Yang, H. Y. Small 2019, 15, 1805505. doi: 10.1002/smll.201805505

    39. [39]

      Yue, Z.; Ma, Y.; Zhang, J.; Li, H. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 16892. doi: 10.1039/c9ta03570b

    40. [40]

      Srimuk, P.; Husmann, S.; Presser, V. RSC Adv. 2019, 9, 14849. doi: 10.1039/c9ra02570g

    41. [41]

      Ahn, J.; Lee, J.; Kim, S.; Kim, C.; Lee, J.; Biesheuvel, P. M.; Yoon, J. Desalination 2020, 476, 114216. doi: 10.1016/j.desal.2019.114216

    42. [42]

      Min, X.; Zhu, M.; He, Y.; Wang, Y.; Deng, H.; Wang, S.; Jin, L.; Wang, H.; Zhang, L.; Chai, L. Chemosphere 2020, 251, 126319. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.126319

    43. [43]

      Kong, H.; Yang, M.; Miao, Y.; Zhao, X. Energy Technol. 2019, 7, 1900835. doi: 10.1002/ente.201900835

    44. [44]

      Li, D.; Wang, S.; Wang, G.; Li, C.; Che, X.; Wang, S.; Zhang, Y.; Qiu, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 31200. doi: 10.1021/acsami.9b10307

    45. [45]

      Srimuk, P.; Kaasik, F.; Krüner, B.; Tolosa, A.; Fleischmann, S.; Jäckel, N.; Tekeli, M. C.; Aslan, M.; Suss, M. E.; Presser, V. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 18265. doi: 10.1039/c6ta07833h

    46. [46]

      Khan, A. I.; O'Hare, D. J. Mater. Chem. 2002, 12, 3191. doi: 10.1039/b204076j

    47. [47]

      Long, X.; Wang, Z.; Xiao, S.; An, Y.; Yang, S. Mater. Today 2016, 19, 213. doi: 10.1016/j.mattod.2015.10.006

    48. [48]

      Lv, L.; Yang, Z.; Chen, K.; Wang, C.; Xiong, Y. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803358. doi: 10.1002/aenm.201803358

    49. [49]

      Wang, Q.; O'Hare, D. Chem. Rev. 2012, 112, 4124. doi: 10.1021/cr200434v

    50. [50]

      Wang, L.; Wang, D.; Dong, X. Y.; Zhang, Z. J.; Pei, X. F.; Chen, X. J.; Chen, B.; Jin, J. Chem. Commun. 2011, 47, 3556. doi: 10.1039/c0cc05420h

    51. [51]

      Wimalasiri, Y.; Fan, R.; Zhao, X. S.; Zou, L. Electrochim. Acta 2014, 134, 127. doi: 10.1016/j.electacta.2014.04.129

    52. [52]

      Quan, W.; Tang, Z. L.; Wang, S. T.; Hong, Y.; Zhang, Z. T. Chem. Commun. 2016, 52, 3694. doi: 10.1039/c5cc08744a

    53. [53]

      Cai, P.; Zheng, H.; Wang, C.; Ma, H.; Hu, J.; Pu, Y.; Liang, P. J. Hazard. Mater. 2012, 213-214, 100. doi: 10.1016/j.jhazmat.2012.01.069

    54. [54]

      Wang, J.; Gao, F.; Du, X.; Ma, X.; Hao, X.; Ma, W.; Wang, K.; Guan, G.; Abudula, A. Electrochim. Acta 2020, 331, 135288. doi: 10.1016/j.electacta.2019.135288

    55. [55]

      Ren, Q.; Wang, G.; Wu, T.; He, X.; Wang, J.; Yang, J.; Yu, C.; Qiu, J. Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 57, 6417. doi: 10.1021/acs.iecr.7b04983

    56. [56]

      Hu, C.; Dong, J.; Wang, T.; Liu, R.; Liu, H.; Qu, J. Chem. Eng. J. 2018, 335, 475. doi: 10.1016/j.cej.2017.10.167

    57. [57]

      Wang, X.; Kajiyama, S.; Iinuma, H.; Hosono, E.; Oro, S.; Moriguchi, I.; Okubo, M.; Yamada, A. Nat. Commun. 2015, 6, 6544. doi: 10.1038/ncomms7544

    58. [58]

      Naguib, M.; Mochalin, V. N.; Barsoum, M. W.; Gogotsi, Y. Adv. Mater. 2014, 26, 992. doi: 10.1002/adma.201304138

    59. [59]

      Pang, J.; Mendes, R. G.; Bachmatiuk, A.; Zhao, L.; Ta, H. Q.; Gemming, T.; Liu, H.; Liu, Z.; Rummeli, M. H. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 72. doi: 10.1039/c8cs00324f

    60. [60]

      Ihsanullah, I. Nano-Micro Lett. 2020, 12, 72. doi: 10.1007/s40820-020-0411-9

    61. [61]

      Shen, X.; Xiong, Y.; Hai, R.; Yu, F.; Ma, J. Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 4554. doi: 10.1021/acs.est.9b05759

    62. [62]

      Wang, D.; Gao, Y.; Liu, Y.; Gogotsi, Y.; Meng, X.; Chen, G.; Wei, Y. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 24720. doi: 10.1039/c7ta09057a

    63. [63]

      Cui, H.; Li, Q.; Qian, Y.; Tang, R.; An, H.; Zhai, J. Water Res. 2011, 45, 5736. doi: 10.1016/j.watres.2011.08.049

    64. [64]

      Silambarasan, K.; Joseph, J. Energy Technol. 2019, 7, 1800601. doi: 10.1002/ente.201800601

    65. [65]

      Li, Y.; Ding, Z.; Li, J.; Wang, K.; Lu, T.; Pan, L. Desalination 2020, 481, 114379. doi: 10.1016/j.desal.2020.114379

    66. [66]

      Shi, Y.; Zhou, X.; Yu, G. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 2642. doi: 10.1021/acs.accounts.7b00402

    67. [67]

      Wang, Z.; Xu, X.; Kim, J.; Malgras, V.; Mo, R.; Li, C.; Lin, Y.; Tan, H.; Tang, J.; Pan, L.; et al. Mater. Horiz. 2019, 6, 1433. doi: 10.1039/c9mh00306a

    68. [68]

      Dai, J.; Wang, J.; Hou, X.; Ru, Q.; He, Q.; Srimuk, P.; Presser, V.; Chen, F. ChemSusChem 2020, 13, 2792. doi: 10.1002/cssc.202000188

    69. [69]

      Dai, J.; Pyae, N. L. W.; Chen, F.; Liang, M.; Wang, S.; Ramalingam, K.; Zhai, S.; Su, C.; Shi, Y.; Tan, S. C.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 25728. doi: 10.1021/acsami.0c02822

    70. [70]

      Zhao, X.; Ren, S.; Bruns, M.; Fichtner, M. J. Power Sources 2014, 245, 706. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.07.001

    71. [71]

      Gao, P.; Reddy, M. A.; Mu, X.; Diemant, T.; Zhang, L.; Zhao-Karger, Z.; Chakravadhanula, V. S.; Clemens, O.; Behm, R. J.; Fichtner, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4285. doi: 10.1002/anie.201509564

    72. [72]

      Lakshmi, K. P.; Janas, K. J.; Shaijumon, M. M. J. Power Sources 2019, 433, 126685. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.05.091

    73. [73]

      Zhao, X.; Zhao, Z.; Yang, M.; Xia, H.; Yu, T.; Shen, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 2535. doi: 10.1021/acsami.6b14755

    74. [74]

      Zhao, Z.; Yu, T.; Miao, Y.; Zhao, X. Electrochim. Acta 2018, 270, 30. doi: 10.1016/j.electacta.2018.03.077

    75. [75]

      Yu, T.; Yang, R.; Zhao, X.; Shen, X. ChemElectroChem 2019, 6, 1761. doi: 10.1002/celc.201801803

    76. [76]

      Yang, R.; Yu, T.; Zhao, X. J. Alloys Compd. 2019, 788, 407. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.02.234

    77. [77]

      Chen, F.; Leong, Z. Y.; Yang, H. Y. Energy Storage Mater. 2017, 7, 189. doi: 10.1016/j.ensm.2017.02.001

    78. [78]

      Hu, X.; Chen, F.; Wang, S.; Ru, Q.; Chu, B.; Wei, C.; Shi, Y.; Ye, Z.; Chu, Y.; Hou, X.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 9144. doi: 10.1021/acsami.8b21652

    79. [79]

      Yin, Q.; Rao, D.; Zhang, G.; Zhao, Y.; Han, J.; Lin, K.; Zheng, L.; Zhang, J.; Zhou, J.; Wei, M. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900983. doi: 10.1002/adfm.201900983

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  80
  • HTML全文浏览量:  11
文章相关
  • 发布日期:  2022-05-15
  • 收稿日期:  2020-06-12
  • 接受日期:  2020-07-07
  • 修回日期:  2020-07-02
  • 网络出版日期:  2020-07-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章