👆如果您希望可以时常见面，
欢迎标星🌟收藏哦~
近日，青岛大学生态纺织省部共建协同创新中心乜广弟副教授与化学化工学院王宁副教授合作，在Desalination上发表了题为“A two-pronged strategy to boost the capacitive deionization performance of nitrogen-doped porous carbon nanofiber membranes”的研究成果，提出了一种双管齐下的策略来改善电纺CNFs的脱盐性能。制备的分级多孔碳纳米纤维（PCNFs）具有较大的比表面积、发达的孔结构、较高的氮掺杂浓度和良好的润湿性。作为自支撑膜电极，组装的对称CDI电池表现出较高的盐吸附量和较快的除盐速率，可应用于印染回用水的脱盐和净化。本研究为设计和构建高效碳基CDI电极材料提供了一种可行的方法。
图1 PCNFs-SZ的制备流程与形貌结构表征
PCNFs-SZ通过静电纺丝、沉积、碳化和蚀刻工艺制备（图1A）。图1B显示片状ZIF-L在纤维表面均匀生长，图1C-1F证明PCNFs-SZ纤维随机取向，表面分布少量碳片结构，且纤维内部和表面存在丰富的孔隙。图1G中0.34 nm的晶格条纹间距对应石墨碳的（002）晶面。图1H为PCNFs-SZ的元素映射图像，C、N、O元素在除孔洞外的位置分布一致。
图2 PCNFs的化学结构、元素组成、孔结构、浸润性和柔韧性表征
XRD图（图2A）中的衍射峰对应石墨碳的（002）和（100）晶面反射。拉曼谱图（图2B）中PCNFs-SZ较高的ID/IG值说明其石墨晶格的无序程度较高，有利于盐离子的吸附。XPS谱图（图2C-2E）证明PCNFs-SZ具有较高的氮掺杂浓度，可以改善其电化学性能。此外，PCNFs-SZ具有较大的比表面积、多尺度的孔结构、良好的润湿性和柔韧性（图2F-2I）。
图3 PCNFs电极的电化学电容性能
循环伏安（CV，图3A）和恒电流充放电（GCD）曲线（图3B）证明了PCNFs电极的双电层电容行为，且PCNFs-SZ电极具有较高的比电容（145.4 F g−1）。在较高的扫描速率下，PCNFs-SZ电极的CV曲线仍能保持原始形状（图3C），在不同电流密度下，相应的GCD曲线始终为近似对称的曲线（图3D），这些结果证明了PCNFs-SZ电极优异的电化学可逆性和良好的库仑效率。即使在较高的电流密度（10 A g−1）下，PCNFs-SZ电极的比电容只出现~27.9%的微小下降（图3E），表明其倍率性能较好。电化学阻抗谱图（图3F）说明，相比于PCNFs-S和PCNFs-Z，PCNFs-SZ电极具有较小的串联电阻、电荷转移电阻和扩散电阻。
图4 对称CDI电池的脱盐性能表征
电容去离子性能测试结果（图4）显示，基于PCNFs-SZ的对称CDI电池具有较高的盐吸附量（37.09 mg g−1）和较快的脱盐速率（10.36 mg g−1 min−1），且随着NaCl溶液初始浓度的提高，PCNFs-SZ电池的盐吸附量也随之增大。PCNFs-SZ高效的CDI性能与其发达的孔隙结构、较大的比表面积、较高的氮掺杂浓度是分不开的。此外，PCNFs-SZ电池表现出可接受的稳定性和较高的电荷效率。与此同时，PCNFs-SZ基CDI电池可用于对印染回用水的脱盐和净化处理。
图5 DFT计算：优化的几何结构、N掺杂浓度、吸附能
DFT计算（图5）表明PCNFs-SZ在三种样品中具有最强的Na+捕获能力，这可能是由于其合适的N/C原子比。
综上所述，本研究提出了一种双管齐下的策略，采用silicalite-1作为内部致孔剂，ZIF-L作为外部多孔碳源，用于制备自支撑PCNFs-SZ膜电极，其具有较高的氮掺杂浓度、发达的孔结构和较大的比表面积，与对照样品PCNFs-S和PCNFs-Z相比，表现出优异的润湿性和较高的比电容。基于PCNFs-SZ的对称CDI电池表现出卓越的脱盐性能，可应用于印染回用水的脱盐和净化。DFT计算进一步验证了PCNFs-SZ增强的钠离子吸附能力。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118293
乜广弟，博士，青岛大学特聘教授第五层次，硕士生导师，山东省高等学校青年创新团队“高性能碳纳米纤维创新团队”负责人。2017年博士毕业于吉林大学化学学院，师从王策教授，随后加入青岛大学纺织服装学院；2019-2020年，在新加坡国立大学John Wang教授课题组进行访问、交流。主要研究方向是纳米纤维材料在能源与环境领域的应用。目前，已发表SCI学术论文60余篇（第一作者/共同第一作者及通讯作者论文32篇），被引用次数超过2900次，H因子=36，其中包括Electrochemical Energy Reviews, SusMat, Nano-Micro Letters, Advanced Fiber Materials, Chemical Engineering Journal等高水平杂志；授权发明专利3项，其中，实现科技成果转化的发明专利1项；合著英文专著1部；主持国家自然科学基金青年项目1项，主持中国博士后科学基金面上一等资助项目1项，主持山东省自然科学基金博士基金1项。
王宁，青岛大学特聘教授。2017年6月毕业于吉林大学化学学院，获得无机化学博士学位。2017-2020年，在吉林大学从事博士后研究。2020年加入青岛大学化学化工学院担任特聘教授。一直从事分子筛及分子筛负载金属催化剂的设计合成及其在液相化学储氢、甲醇制烯烃及烷烃脱氢等方面的应用。在Chem、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Catal.、Adv. Sci.等国内外著名学术期刊发表论文40余篇，H因子为30。2022年入选山东省泰山青年学者，并作为团队负责人获批山东省高等学校青年创新团队。2023年获山东省自然基金优秀青年基金资助。目前担任《石油化工高等学校学报》和《cMat》青年编委。
重磅消息
易丝帮静电纺丝实验室，行业顶尖合作，全程技术支持，尖端设备一站体验。面对技术难题、创新瓶颈？我们提供一对一解答，邀您共探“电纺技术”新境界！
点击查看图片详情
