近期，中科院合肥研究院固體所環(huán)境與能源納米材料中心團(tuán)隊(duì)基于電容去離子技術(shù)發(fā)展了錳基鐵氧體（MnFe₂O₄）選擇性吸附電極，依托其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)及特有的贗電容效應(yīng)，該電極展現(xiàn)出高效的選擇性電吸附硬度離子能力。相關(guān)研究成果以“Intrinsic Pseudocapacitive Affinity in Manganese Spinel Ferrite Nanospheres for High-Performance Selective Capacitive Removal of Ca²⁺ and Mg²⁺”為題，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

       水的硬度是世界各國普遍存在的水質(zhì)問題。據(jù)統(tǒng)計，85%以上的可用淡水為硬水。自來水、地面水、河水等常見的硬水一般均含鈣、鎂離子，這會導(dǎo)致洗滌劑作用減弱，鍋爐、管道、熱交換器結(jié)垢，降低熱導(dǎo)率，增加能耗，嚴(yán)重時甚至?xí)鸸艿蓝氯湾仩t爆炸。長期飲用硬水還會增加人體泌尿系統(tǒng)結(jié)石的得病率，因此硬水的軟化處理受到高度關(guān)注。近年來，電容去離子技術(shù)（Capacitive Deionization, CDI）作為一種新型的水處理技術(shù)，由于其具有操作方便、環(huán)境友好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注。為了在CDI工藝中實(shí)現(xiàn)選擇性去除硬質(zhì)離子，對多孔碳電極的制備及其離子選擇性機(jī)制如離子篩分和離子交換已有大量研究，但是基于雙電層原理的低容量問題仍未解決。因此，探索選擇性電吸附目標(biāo)離子的高容量法拉第電極至關(guān)重要，然而直到現(xiàn)在，法拉第電極的固有贗電容效應(yīng)如何影響選擇性還是一個謎團(tuán)。

　　該工作中，研究人員通過簡便的一步溶劑熱方法和自組裝生長機(jī)制制備了具有層級結(jié)構(gòu)的MnFe₂O₄（MFO）納米球，并用MFO（贗電容陰極）和活性炭（雙電層陽極）組裝了混合贗電容去離子裝置（PHCDI）（圖1）。MFO電極在氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂三種不同電解質(zhì)中的三電極電化學(xué)測試表明，其在硬度離子電解液中具有出色的電化學(xué)性能，并具有獨(dú)特的贗電容效應(yīng)。CDI實(shí)驗(yàn)表明，MFO電極的最大電吸附容量為534.6μmol g^-1（氯化鈣）和980.36μmol g^-1（氯化鎂），遠(yuǎn)超過以往其他工作報道；結(jié)合非原位XPS測試發(fā)現(xiàn)，鎂離子的嵌入和脫嵌過程與金屬-氧鍵的可逆強(qiáng)度變化相對應(yīng)，展現(xiàn)出電極反應(yīng)的高度可逆。基于嵌入-氧化還原機(jī)理，發(fā)現(xiàn)MFO電極表現(xiàn)出在鈉、鈣、鎂多元陽離子混合溶液中對硬度離子的優(yōu)異電親和性。此外，研究人員首次在贗電容電極中觀察到了離子交換，并且在鈉-鈣-鎂摩爾比為20：1：1的三元溶液中實(shí)現(xiàn)了34.76的超高硬度選擇性系數(shù)。一元或多元模擬電解液的電化學(xué)響應(yīng)，揭示了基于陽離子嵌入/脫嵌-氧化還原機(jī)理的獨(dú)特贗電容效應(yīng)，這是固有的選擇性去除硬度離子的根源（圖2）。這項(xiàng)工作對氧化還原反應(yīng)和高效離子選擇性的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了深入研究，為開發(fā)具有高選擇性水軟化作用的新型法拉第材料提供了新參考。

　　上述工作得到了科技部國家重大研發(fā)專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金委基金項(xiàng)目的支持。

       文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c09996。

　　圖1. PHCDI裝置中MFO電極選擇性離子電吸附的示意圖。

　　圖2. 在（a）Na-Ca（摩爾比為2：1），(d）Na-Mg（摩爾比為2：1）二元溶液和（g）Na-Ca-Mg（摩爾比為2：1：1）三元溶液中的電吸附（1.2 V，1 h）和解吸（短路，1 h）曲線；在具有不同的離子摩爾比溶液中吸收的陽離子：（b）Na-Ca，（e）Na-Mg和（h）Na-Ca-Mg；（c），（f）和（i）為相應(yīng)的模擬混合離子電解質(zhì)中的CV曲線。