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【材料】锰空位和外壳保护双重策略，提升锰基普鲁士蓝电极电容去离子性能

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-30 08:09

正文

最近，人们为解决淡水资源日益稀缺的问题做出了许多努力。海水淡化作为解决水资源短缺的良好解决方案，引起了科学界的广泛关注。反渗透、多效蒸馏、多级闪蒸等脱盐技术日益成熟，并已投入商业应用。然而，上述净水技术在实际操作中显示出许多缺点，如二次污染、工艺复杂、成本高、设备易腐蚀。电容去离子因其低能耗、温和的操作条件、环保性和低成本的特点而引起了人们的广泛关注。电极材料作为电容去离子技术的核心因素，其研发工作举足轻重。

近日， 山东科技大学付民 与合作者在国际知名期刊 Desalination 上发表研究论文，通过简单的两步策略制备了含锰空位的核壳结构锰基普鲁士蓝类似物（MnPBA- V _Mn /NiPBA）。该研究通过EDTA和 Mn ²⁺ 之间的强螯合作用将锰空位引入锰基普鲁士蓝材料，然后再通过离子交换策略在MnPBA- V _Mn 的表面构建了NiPBA保护壳。锰空位和镍普鲁士蓝外壳的存在，不仅提升了材料的稳定性，还改善了其电化学性能，加速了离子传输和电荷迁移。

图1. MnPBA- V _Mn /NiPBA材料的合成示意图。

图2. （a）MnPBA，（b）MnPBA/NiPBA，（c）MnPBA- V _Mn ，（d,e,f,g）MnPBA- V _M _n /NiPBA的形貌表征。

研究结果表明，MnPBA- V _Mn /NiPBA复合材料成功合成，材料尺寸和元素分布均匀。

图3. 四种电极的（a）XRD,（b）拉曼图谱;（c）MnPBA- V _Mn /NiPBA，MnPBA/NiPBA的ESR图谱；（d,e,f,g）MnPBA- V _Mn /NiPBA的XPS图谱；（h,i） MnPBA- V _Mn , MnPBA/NiPBA的XPS光谱。

良好的结构特性赋予了电极材料更好的电化学表现，所合成的MnPBA- V _Mn /NiPBA电极在50次循环后表现出高达109.44 mg g ^-1 的除盐量和84.9%的脱盐保持率。

图4. 四种材料的电容去离子性能对比。

锰空位的存在可以抑制MnPBA的Jahn-Teller畸变，从而抑制结构变形并提高其循环稳定性。NiPBA保护壳可以抑制锰基电极中 Mn ²⁺ 的浸出。阳离子空位以及异质核壳结构也起到了加快电荷/离子传输的作用。得益于锰空位和构建保护壳双重保护策略，MnPBA- V _Mn /NiPBA电极展现出了高除盐量以及良好的除盐保持率。这项工作为基于普鲁士蓝类似物的结构调控提供了新的见解，并为用于海水淡化应用的有前景的CDI电极的设计提供了启示。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Manganese vacancy and shell protection as two-pronged strategies for boosting capacitive deionization of manganese-based prussian blue analog electrodes

Guoxiang Liu, Wei Chen, Liangmin Ning, Hao Yu, Meng Gao, Linzheng Ma, Ruitao Lv, Jianming Pan, Min Fu*

Desalination , 2024 , DOI: 10.1016/j.desal.2024.118489

第一作者简介

刘国祥 ：山东科技大学化学与生物工程学院2022级硕士研究生，研究方向为电容去离子电极材料的开发。

通讯作者简介

付民：山东科技大学储能技术学院副教授，主要从事储能及分离吸附等方面的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、山东省重点研发、山东省自然科学基金面上项目等多项纵向科研项目。以第一或通讯作者在 Advanced Materials，Small，Journal of Materials Chemistry A 和 Chemical Engineering Journal 等期刊发表50余篇研究论文，其中高被引8篇，热点2篇，被引用3100余次，h因子32，连续三年（2022、2023、2024）入选全球前2%顶尖科学家榜单。担任教育部学位中心论文评审专家、全国本科毕业论文抽检专家、山东省创项目评审专家、青岛市专业技术人才评审专家和聊城市绿色化工产业专家，担任 J. Renew. Mater. 的客座编辑、 Information Funct. Mater.、Exploration、CleanMat 、盐湖研究和稀有金属的青年编委和多个期刊的审稿人。

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