得克萨斯农工大学《ACS AMI》：隧道结构ζ-V2O5作为混合电容去离子的氧化还原活性插入宿主

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第一作者：Nicholas I. Cool

通讯作者：Sarbajit Banerjee

通讯单位：得克萨斯农工大学化学系

论文DOI：10.1021/acsami.2c17800

全文速览

为了实现海水淡化和资源回收降低能耗，来自德克萨斯农工大的Sarbajit Banerjee教授团队利用隧道结构的ζ-V₂O₅作为氧化还原活性材料实现高效脱盐。通过法拉第插入过程增加表面吸附，与电容性高表面积碳电极相比，K⁺和Li⁺的去除能力提高了50%。ζ- V₂O₅对混合溶液中Li⁺的去除和二叠纪盆地产出废水中Li⁺的富集具有显著的选择性。

研究背景

目前，水力压裂带回地面的返排和产出水（FPW）被认为是一个相当大的环境负担。锂、稀土元素和铀等高价值离子在FPW中大量存在，是能源转型所需的新资源回收范式的关键。混合电容脱盐（HCDI）通过法拉第赝电容过程将离子存储在表面上，并通过氧化还原反应将离子存储在材料内部体积内。因此，HCDI不仅可以使FPW在水力压裂作业中重复使用，还可以提取高价值离子。

图文导读

ζ-V₂O₅作为一种电池正极材料，由于其理论容量高，出色的稳定性，能够通过阳离子占位的重新排列容纳Li⁺和Mg²⁺，但没有畸变相变，阳离子插入时的应力积累低。ζ- V₂O₅多态包括三个晶体学上截然不同的钒中心，特别是两个由VO₅方金字塔交织的扭曲的VO₆八面体，它们定义了一个沿b轴方向的1D隧道。

图1 ζ- V₂O₅的合成途径和结构

图2对比了恒定电位1.2 V下CDI和HCDI装置K⁺去除的循环数据。由活性炭活性电极组成的CDI迅速达到其最大离子去除能力，在30分钟的循环时间达到峰值，这反映了可以在电极表面隔离的离子的限制。相比之下，HCDI显示出时间依赖性离子去除的特征迹象，这是由赝电容表面法拉第反应的动力学和插层的扩散限制引起的，与CDI系统相比增加了50%。 

图2 CDI装置和HCDI装置的循环实验

在30 min半循环时间内，ζ-V₂O₅中的钾吸收量超过了CDI系统，而ζ-V₂O₅中的锂离子插入需要2 h半周期时间才能超过活性炭上的电容吸附。较高的水合离子半径和更大的水合自由能对界面脱溶剂构成了更大的障碍，表明在更短的循环时间内对K ⁺具有更高的选择性。

图3 锂、钠和钾离子的CDI和HCDI配置的离子去除能力。

图4对比了 HCDI 去除 Li、Na 和 K 离子后样品获得的粉末与制备的ζ- V₂O₅的 XRD。在 ζ- V₂O₅单晶中的非水插层观察到类似的晶格膨胀，证实了隧道内的间隙位置和法拉第反应在HCDI电池的带电界面处的运行。

图4 XRD证明层间位置的填充

图5显示了具有ζ-V₂O₅正极的HCDI电池对混合盐溶液以及FPW溶液中的离子均具有优异的去除能力。结果表明，ζ-V₂O₅作为正极材料具有活性，用于从FPW进行有效脱盐和Li⁺提取。

图5 混合溶液和FPW溶液在HCDI电池的电化学循环结果

总结与展望

隧道结构的ζ- V₂O₅插入主体可作为HCDI构型水盐溶液脱盐的有效正极材料。与CDI电池相比，HCDI电池从水流中去除Li⁺和K⁺的效果优于约50%，Na⁺的容量改善约16%。XRD数据的细化明确地证实，ζ- V₂O₅一维通道的间隙位置通过离子插入发生离子隔离。离子去除的动力学显示出对水合自由能的相当大的依赖性，这决定了电极/电解质界面处脱溶剂化的难易程度。ζ- V₂O₅正极在从混合离子流中去除Li⁺和富集FPW锂离子浓度方面表现出很强的选择性。因此，HCDI不仅显示出清洁FPW的前景，而且还显示出提取能源转型所需的宝贵矿物质的前景。

文献链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c17800

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