昆士兰大学AFM综述：一文带你入门CDI——电容去离子的机理、电极和构型设计

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第一作者：Kaige Sun

通讯作者：Mike Tebyetekerwa, Xiwang Zhang.

通讯单位：昆士兰大学

论文DOI：10.1002/adfm.202213578

全文速览

电容式去离子（CDI）是一种新兴的水淡化技术，其基于对带电物质的电荷补偿从水中去除不同的离子物质。CDI比其他技术（如反渗透和蒸馏）更节能、更具成本效益，特别是在低或中等盐浓度微咸水的处理中。在过去的十年中，CDI研究领域见证了所用电极材料，装置构型和脱盐应用相关机制的重大进展。本文首先讨论了碳和法拉第材料中先进的原位分析技术和计算辅助的离子储存/去除机制。然后从结构、表面化学和组成等方面总结了电极材料的研究进展。更重要的是，它通过强调其不同的单元设计概念来讨论CDI装置架构。最后，总结了当前面临的挑战和未来的研究方向，为未来的CDI研究提供指导。

背景介绍

最近对CDI技术和过程的研究主要集中在理论建模、电极材料的设计和创新的装置构型。虽然近年来发表了许多关于CDI的综述，但大多数都集中在CDI材料上，甚至是CDI的一种材料。很少有人关注深入的机制、电极材料的设计原理和CDI单元结构。

与以往的综述不同，本文从电极材料和装置构型设计的角度总结了在理解离子去除机制以提高CDI性能方面的最新进展。本文首先向读者介绍潜在的CDI离子提取机理以及利用先进的表征技术和理论手段研究它们的方法。然后，继续描述了电极设计和修饰原理。最后，本文对目前CDI开发中使用的几种装置设计架构进行了介绍和分类。

图文导读

CDI的优势：

与其他脱盐工艺相比，CDI具有多种优势。首先，该技术基于电吸附，不需要高压或高温等恶劣条件。它可以由可再生电力供电，如太阳能/风能和可充电电池。CDI是环保的，因为它既不需要任何化学品，也不排放二次污染物。此外，CDI是一种具有高能量回收率的节能技术，因为CDI从水中提取离子，而不是将水与盐分离，它像电容器一样工作，因此在放电过程中可以回收高能量。并且，CDI具有快速的脱盐速度和长期循环稳定性。

CDI的机理：

CDI的机理包括通过形成双电层（EDL）进行电吸附和通过电荷转移反应电化学离子去除。在过去的几十年中，原位/操作表征，如原位核磁共振（NMR），原位电化学石英晶体微天平（EQCM），原位小角X射线散射（SAXS），原位红外光谱电化学（IR），原位拉曼光谱和原位X射线衍射（XRD）技术为电化学离子储存的原子和分子水平理解提供了重要的见解。了解原子和分子尺度上的基本物理和化学对于设计改进的脱盐材料和装置构型至关重要。

CDI的电极材料：

鉴于两种不同的离子储存机制，电极材料分为碳基和法拉第材料。碳基材料因其独特的性能，如高比表面积（SSA）、良好的导电性和优异的水稳定性等而被广泛用作CDI电极。活性炭（AC）、碳纳米管（CNT）、石墨烯和金属有机骨架衍生碳（MOF衍生碳）是CDI常用的碳电极材料。此外，法拉第电极材料引起了人们对CDI应用的兴趣，为CDI电极材料提供了替代机会。

△碳材料的改性策略

△CDI的法拉第电极材料

CDI的构型设计：

电极材料不能单独工作;它们需要组装成一个设备（CDI单元）。CDI的构型设计在提高该技术的工艺效率和商业可行性方面发挥着重要作用。在这里，根据流道的数量将CDI构型分为单通道、双通道和三通道。

挑战与机遇

首先，对于所描述的各种CDI体系，离子吸附/储存机理尚不完全清楚，例如离子脱水、离子重排或电极中离子储存位点的不确定性。此外，不同电极材料与离子之间的相互作用也需要澄清。为了加强对CDI机理的理解，强烈建议使用本文中列出的高级原位表征和模拟，用以指导CDI系统高性能电极材料的设计。

其次，电极材料是CDI中发生离子吸附的重要组成部分。已经开发和研究了各种材料。过去的文献调查表明，不乏新颖和有前途的材料发展。然而，电极材料的设计和修饰原理并不那么明确。在连续操作期间，电极的耐用性应是一个问题。碳阳极氧化、法拉第电极材料的体积膨胀等问题亟待解决。

此外，对用于阴离子去除的法拉第电极材料的进一步开发也提出了很高的要求。据报道，只有少数材料如Ag/AgCl、Bi/BiOCl和LDH可用于去除阴离子。由于电池技术与CDI的相似性，可能会采用氯离子电池的灵感。根据这一观点，可以在CDI系统中探索其他金属氧氯化物，如FeOCl，TiOCl和相关的其他物质。然而，研究人员也应该密切关注体积膨胀，这可能会导致重金属溶解。

最后，关于所使用的指标，VAC需要更多关注。GAC是主要的性能指标，但很少有人关注体积SAC。碳质电极的密度相对较低，因此，它们的低密度转化为低VAC，当CDI在有限的空间内使用时，这是不利的。此外，当比较摩尔质量非常不同的电极材料时，在VAC中归一化脱盐性能可能更实用。

总结与展望

低成本、高能效和环保的CDI已成为一种很有前途的水修复技术，最近引起了广泛的研究关注。与超级电容器和电池系统中的离子存储机制类似，CDI从溶液中去除离子伴随着离子在纳米孔中的电吸附或法拉第材料中的离子插入过程中的离子脱水和离子重排。根据离子去除机理，碳基和法拉第材料是CDI体系的理想电极材料。因此，合理设计具有优化多孔结构、表面功能和成分的碳材料以满足对CDI技术的需求已经付出了巨大的努力。相比之下，法拉第材料的应用带来了高除盐能力，并显示出高盐度水的脱盐潜力。法拉第材料的改性通常基于其独特的晶体结构。然而，必须考虑到潜在的健康危害来评估法拉第材料的成分。值得注意的是，吸附和法拉第材料多/不对称组装可用于CDI的进一步高级开发。

原位技术为研究CDI的机制和性能提供了全面而可靠的选择。原位核磁共振、EQCM和SAXS可以监测碳纳米孔中离子和溶剂的行为。此外，它们可以对平衡和动态信息（例如阳离子、阴离子浓度变化和离子部分脱溶剂）进行微观上的理解。此外，新兴的机器学习和人工智能可能为研究人员了解CDI中的离子储存机制提供新的机会。

对于电极材料，迄今为止的电极修饰是提高其CDI性能的关键。由于同离子排出效应增强，碳在高盐浓度的水中性能有限。具有高盐度海水淡化渗透选择性的碳可以通过表面电荷或孔化学改性获得。法拉第材料在水溶液中表现出较差的导电性、缓慢的吸附动力学和不稳定性。用薄碳或导电聚合物层修饰表面涂层可以改善这些缺点。

就CDI装置及其架构设计而言，它们直接影响可获得的CDI性能值，但往往很少引起关注。对于每种类型的装置，本文提供了更详细的分类。单通道：传统的CDI，膜CDI，HCDI，法拉第CDI和倒置CDI；双通道：两个稳定的电极和两个水流通道；三通道：两个电极/电解质流道和一个水流道，包括流动电极CDI和氧化还原电解质CDI。目前单元架构的改进和先进的集成提高了CDI工艺的适用性。此外，CDI需要低压输入，可以将CDI与其他可再生能源（自我可持续系统）集成，例如构建太阳能CDI或电池供电的CDI。反渗透-CDI混合系统可以提高性能和能源效率，在超纯水生产和废水处理方面显示出巨大的潜力。

另一个重要的注意事项是，根据所使用的电极材料，CDI在多组分溶液中选择性分离目标离子方面具有巨大的潜力，而不仅仅是脱盐。选择性取决于电极或膜。对于电极选择性、离子筛、水合能/比、与官能团的亲和力/静电亲和力、电负性和特定位点反应是一般的选择机制。对于膜的离子选择性，离子交换膜或离子交换树脂起着关键作用。根据这些基本的选择机制，进一步的研究可以集中在电极材料设计或膜开发上，以实现对目标离子的高选择性。

简而言之，CDI技术在脱盐显示出巨大的前景，特别是在偏远地区的现场脱盐。尽管存在许多挑战，从机理探索到电极设计和装置构建，CDI仍然具有选择性脱盐的潜力。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213578

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