同济大学马杰团队：尖晶石型铁氧体ZnFe2O4实现高容量与长循环稳定除盐

第一作者： 马杰

通讯作者（或者共同通讯作者）： 于飞

通讯单位： 同济大学

论文 DOI ：

https://dx.doi.org/10.1021/acs.estlett.0c00027

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同济大学环境科学与工程学院马杰教授课题组 采用化学共沉淀法合成尺寸均匀的尖晶石型铁氧体 ZnFe ₂ O ₄ 纳米颗粒，并将其作为电极材料应用于电容去离子中，实现了对水中盐分的高效稳定去除。

背景介绍

电增强吸附又称电容去离子（ Capacitive Deionization ， CDI ）是近年来新型水处理技术热点之一，可应用于浓水淡化、污染物去除、氮磷回收、硬水软化和离子筛分，其中关于浓水淡化（脱盐）的研究迅速增长。从传统的碳基电极材料到法拉第电极材料，电容去离子技术的性能和内涵得到巨大的提升和拓展，而电极材料是电容去离子技术的核心，是提升吸附容量、去除效能和循环稳定性的关键，通过新型电极材料的设计和开发，对于有效推动电容去离子技术的规模化应用具有重要意义。

本文亮点

• 合成尖晶石型铁氧体 ZFO 纳米片电极材料并应用于除盐水处理中；

• ZFO 纳米片基电容去离子系统脱盐容量可达 136.6 mg NaCl/g ZFO ；

• 电容去离子脱盐系统吸附 / 脱附循环稳定运行 200 次。

图文解析：

A. 材料表征

ZFO 纳米颗粒结晶良好，尺寸在 30 nm 左右，颗粒分布均匀。 XRD 谱图和 XPS 分峰分析显示 ZFO 的化学式符合 ZnFe ₂ O ₄ 构型。 ZFO 的比表面积（ SSA ）约为 29 m ² /g ，尽管 SSA 值较低，但 ZFO 电极仍具有出色的脱盐能力，表明赝电容脱盐机理占优，而非依赖于大比表面积的双电层脱盐机制（ EDL ）。在充电过程中，电子被转移到阴极，同时 Na ⁺ 被去除，而 Cl ^- 则通过 EDL 机理被固定在活性炭电极上。

图 1 ZFO 的 (a) SEM 图像， (b, c) TEM 图像， (d) EDS 分析， (e) 脱盐过程和 ZFO 晶体结构的示意图， (f) SEM-mapping 。

图 2 ZFO 的 (a) XRD ， (b) N ₂ 吸附 / 脱附等温线， (c) 孔径分布拟合结果， (d) Zn 2p ， (e) Fe 2p 和 (f) O 1s 的 XPS 分峰拟合。

B. 电化学性能

电化学测试证明了 ZFO 电极的赝电容特性和稳定性，循环伏安（ CV ）曲线未出现可识别的氧化还原峰，相应地，在不同电流密度下的恒电流充电 / 放电（ GCD ）曲线也未出现平台。在不同的电流密度下，充电和放电容量几乎相等，表明库仑效率较高。 100 个周期后 CV 曲线几乎保持不变，电容保持率为 ~99.35 ％；同样，经过 100 次充放电循环后， GCD 曲线稳定，该结果表明 ZFO 在水环境中的电化学稳定性能优异。

图 3 (a) 在不同扫描速率下测得的 CV 曲线， (b) 扫描速率为 5 mV/s 的 CV 曲线， (c) 10 mV/s 下 100 次循环后的 CV 曲线， (d) 不同电流密度下的 GCD 曲线， (e) 不同电流密度下的充放电容量， (f) 2 mA/cm ² 下 100 个循环后的 GCD 曲线。

C. 脱盐性能

本文研究了不同工艺参数对脱盐性能的影响。随着电流密度的增加，脱盐能力逐渐降低，而当降低电流密度时，脱盐能力又回到高水平。在各种电流密度下工作后，脱盐能力的保留率为 ~91.3 ％。当电压范围从 ±1.2 V 扩大到 ±1.4 V 时，性能从 75.4 ± 4.7 提升至 120.6 ± 3.5 mg NaCl/g ZFO ，电流和电压的影响可以用最大允许电荷量（ MAC ）理论解释。在 ±1.2 V 的电压范围内，能耗为 0.3 kWh/kg NaCl ，在 ±1.6 V 下，能耗提高到 0.76 kWh/kg NaCl ；相反，能量回收率从 23.3 ％降低到 9. 2 ％。脱盐的长循环测试结果显示，脱盐容量在 200 次循环过程中基本维持在 ~60 mg/g ，且吸附与脱附容量相等。

与其它电极体系对比， ZFO 电极在保持较高脱盐容量的同时稳定性也很好。另外， Zn ²⁺ 的含量对晶体形成和脱盐性能也存在重要影响，相关数据和讨论在 SI 中。

图 4 在不同 (a) 电流密度， (b) 电压范围和 (c) 初始 NaCl 浓度下的脱盐容量， (d) 不同电压下的能耗和能量回收率， (e) 在长循环脱盐实验中，第 1 、 20 和 200 个循环的电压 - 时间曲线， (f) ZFO 与其它新材料之间的脱盐容量和循环稳定性的比较， (g) 电流密度（ 40 mA/g ）和电压范围（ ±1.2 V ）下的长循环性能， (h) 长循环脱盐实验前后 ZFO 电极的 SEM 图像。

总结与展望：

在该项研究中，锌尖晶石型铁氧体纳米粒子无需进行化学修饰和改性（如碳包覆等），材料合成和电极制备方法简单。最佳条件下（ ZFO 电流密度为 30 mA/g 、电压范围为 ±1.4 V 、初始浓度为 100 mM ），脱盐容量可达到 136.6 mg NaCl/g ZFO 。此外，电容去离子除盐系统在 10 多天的运行过程中，仍然保持良好的脱盐容量和电极稳定性，显示出良好的应用前景。同时，该研究初步评估了小型的 CDI 系统的成本（ $ 0.33 / g NaCl ），低成本来源于简单的合成方法和优异的脱盐效能，体现出赝电容电极材料 ZFO 在实际脱盐中的巨大应用潜力和发展前景。

课题组介绍