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近日，美国范德堡大学林士弘教授和团队研发出一种电化学离子分离平台，并将其命名为电化学离子泵，它能克服传统电吸附技术由于流道切换所带来的各种缺点。与传统电吸附技术不同的是，电化学离子泵不仅能实现连续的离子分离，也能实现无需溶液切换的离子分离，从而能够克服溶液混合的限制，进而降低操作复杂性，并能大幅提高脱盐性能。图 | a 为传统电吸附的操作方式，b 为电化学离子泵的操作方式（来源：Nature Water）
对于电化学离子泵的结构来说，它的电极设计和操作模式具备以下创新之处：其一，在系统结构上，电化学离子泵兼具对称和不对称这两种电极排布方式，并能通过继电器来控制电路开关，从而能够实现离子的单向传输。尤其是在多电极电化学离子泵中，多个独立低压电源能被用于提供电极之间的电位差，从而便于实现系统的扩大。其二，通过利用复合电极，电化学离子泵既能实现离子的临时存储和单向传输，也能具备较高的导电性，从而能够更好地实现溶液分隔，并能促进离子的快速传输。其三，对于电化学离子泵上的每一个工作电极来说，它能在充电回路和放电回路之间交替运行。因此，电化学离子泵的电路切换频率非常高，这让电化学离子泵电极可以在很窄的饱和度范围内充放电，从而有助减少不必要的副反应，以及有助于减轻电极溶液界面的浓差极化。同时，电化学离子泵的工作电极所需要的吸附容量较低。因此，在电极的设计上，研究人员可以专注于开发和分离过程更加相关的性能。实验结果证明：电化学离子泵的脱盐性能，不仅远远高出传统电吸附技术，而且与电渗析技术基本相当，这打破了电吸附分离远不如电渗析的传统认识。总之，电化学离子泵不仅能够解决传统电吸附技术的应用瓶颈，同时电化学离子泵还拥有更多的应用可能性。作为一款通用型离子分离平台，脱盐——只是电化学离子泵最简单最直接的应用场景。和传统电吸附技术一样的是，目前大部分电化学器件都是以批式运行的。而电化学离子泵的出现可能会革新这些电化学系统，这不仅能给它们带来更高的连续运行性能，还能让电吸附技术摆脱对于高电容电极的依赖，让电极的设计目的回归到分离指标上。那些目前电化学系统已经实现的应用，电化学离子泵不仅也能实现，而且还能做得更好。比如，它能用于水软化、选择性地去除污染物、从废水中回收营养物、从天然盐水和工业废水中提取金属，甚至还能用于能源转化、催化氧化和催化还原等。图 | 相关论文（来源：Nature Water）审稿人认为，本次成果将激励电化学分离领域的研究人员设计出超越传统双电极或堆叠系统的新系统。在电容去离子和膜电容去离子中，经常需要工艺溶液切换操作。而本次方法所使用的电切换方法则会更加有效和更加快速。如前所述，电化学离子泵是一个通用型电化学分离平台，它也能给其他电化学技术带来启发。由于电化学离子泵的每一个电极隶属于两个独立电路，离子在电化学离子泵中的迁移传输行为与传统电吸附和电渗析都有很大的差异。当电极在充电和放电之间频繁切换时，切换的时间是可控的，而每次搬运的离子可以非常少。因此，该团队打算建立一个电化学离子泵离子分离过程模型，以便预测离子的传输行为。同时，他们还将进一步探索电化学离子泵在水软化、污染物去除、离子选择性分离等方向的应用。参考资料：
1.Xu, L., Liu, W., Zhang, X.et al. Pseudo-continuous and scalable electrochemical ion pumping with circuit-switching-induced ion shuttling. Nat Water 2, 999–1008 (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00312-8
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