突破性进展！新型3D多孔碳银复合材料显著提升海水淡化效率

研倍 2025-05-26 | 阅读：316

淡水资源短缺与电化学脱盐技术挑战

随着全球淡水资源危机加剧，高效低能耗的海水淡化技术成为研究热点。电容去离子（CDI）技术因其低能耗、易再生等优势备受关注，但其核心电极材料的发展长期受限于氯离子存储效率低和循环稳定性差的问题。传统银（Ag）电极虽具备高理论容量（329 mg g⁻¹），但在电化学循环中因体积膨胀（约225%）导致颗粒破碎失效，严重制约其应用。

DOI:

MOF辅助热解-电置换法

中南大学魏盾团队在《Journal of Energy Chemistry》发表最新成果，提出一种金属有机框架（MOF）辅助热解结合电置换反应的新方法，成功制备出超细银纳米颗粒锚定的3D有序多孔碳复合材料（3D Ag@NC），为高性能电极材料设计提供了全新思路。

制备流程亮点

3D模板构建：以聚苯乙烯微球为模板，诱导ZIF-67结晶形成三维有序多孔结构。

碳化与金属锚定：高温碳化获得钴嵌入多孔碳骨架（3D Co@NC），利用钴与银离子的电位差，通过自发电置换反应（Co + 2Ag⁺ → Co²⁺ + 2Ag）实现银颗粒的原位生成。

3. 结构优势：

超细银颗粒
（~5.03 nm）均匀分散，缓解体积膨胀应力。
3D互连孔道
促进电子传输与电解质渗透。
Co@Ag核壳异质结
诱导界面电荷聚集，增强离子吸附。

高效脱氯与超强稳定性

通过系统测试，3D Ag@NC展现出卓越的电化学性能：

脱氯容量：在1.4 V电压下达105.29 mg g⁻¹，显著优于传统Ag@NC（81.33 mg g⁻¹）和活性炭（37.15 mg g⁻¹）（图b）。

电荷效率：高达0.95，接近理论极限（图d）。

循环稳定性：100次循环后容量保持率84.12%，远超商用银电极（31.22%）（图i）。

高浓度适应性：在2000 mg L⁻¹ NaCl中仍保持114.91 mg g⁻¹脱氯能力（图g）。

结构-性能协同效应

有限元模拟：3D有序孔道加速离子扩散，电解质渗透效率提升2倍（图6c-d）。

2. XPS与XRD分析：

充放电过程中Ag/AgCl可逆相变证实氯离子存储机制（图6a, 7a）。

3. DFT计算：

Co@Ag界面形成内建电场，d带中心上移（-1.16 eV vs. Ag/C的-2.37 eV），显著增强Cl⁻吸附活性（图7d-f）。

结语

该研究通过电位差驱动自发电置换策略，解决了高温还原导致的银颗粒团聚难题，为小尺寸、高分散金属电极的制备提供了普适性方案。未来可拓展至其他金属（如Cu、Ni）复合材料开发，推动CDI技术在工业废水处理、海水淡化等领域的规模化应用。

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