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第一作者：王梓全，陈翔锋
通讯作者：邓立波
通讯单位：深圳大学
论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01531-0
成果简介
深圳大学的邓立波副教授在Nano-Micro Lett.期刊发表了题为“Locally Enhanced Flow and
Electric Fields Through a Tip Effect for Efficient Flow-Electrode Capacitive
Deionization”的论文。本文开发了一种新的尖端阵列电流收集器（T-CC），以替代传统平面电流收集器，显著增强了电荷转移和离子传输。随着电压从1.0 V增加到1.5 V和2.0 V，基于T-CC的FCDI系统（T-FCDI）表现出的平均盐去除率（ASRR）分别为0.18、0.50和0.89 μmol cm−2 min−1，分别是传统蛇形电流收集器的1.82、2.65和2.48倍，以及平面电流收集器的1.48、1.67和1.49倍。同时，当流动电极中的固体含量从1 wt%增加到5 wt%时，T-FCDI的ASRR从0.29增加到0.50 μmol cm−2 min−1，分别是平面电流收集器的1.70和1.67倍。T-FCDI实现了99.89%的盐去除效率，并且在24小时操作后电荷效率保持在95%以上，显示出其优越的长期稳定性。全文速览
低电极电容去离子化（FCDI）是一种新兴的脱盐技术，具有从多种水源中去除和/或回收离子的巨大潜力。然而，由于流动电极中的湍流较弱和电场强度低，导致电荷转移和离子传输效率不高，这两者都受到电流收集器的限制。为此，开发了一种新的尖端阵列电流收集器（称为T-CC），以替代传统的平面电流收集器，这显著增强了电荷转移和离子传输。通过计算模拟和电化学阻抗谱研究了尖端阵列对流动和电场的影响，结果显示离子传输障碍、电荷传输障碍和内部电阻均有所降低。当电压从1.0 V增加到1.5 V和2.0 V时，基于T-CC的FCDI系统（T-FCDI）表现出的平均盐去除率（ASRR）分别为0.18、0.50和0.89 μmol cm−2 min−1，分别是传统蛇形电流收集器的1.82、2.65和2.48倍，以及平面电流收集器的1.48、1.67和1.49倍。同时，当流动电极中的固体含量从1 wt%增加到5 wt%时，T-FCDI的ASRR从0.29增加到0.50 μmol cm−2 min−1，分别是平面电流收集器的1.70和1.67倍。T-FCDI实现了99.89%的盐去除效率，并且在24小时操作后电荷效率保持在95%以上，显示出其优越的长期稳定性。引言
近年来，随着全球人口的快速增长和水污染的加重，淡水资源短缺问题愈发严重。传统的脱盐技术（如反渗透、电渗析和热脱盐）能耗高，并且面临膜污染、水回收率低和资本成本高等问题。因此，具有高能效和环保特点的新脱盐技术备受期待。电容去离子（CDI）作为一种新兴的脱盐技术，通过电场在多孔碳电极中捕获并存储离子。这种技术在低能耗、零次污染排放、温和的操作条件以及低投资成本等方面，相较于传统技术具有明显优势。特别是，通过将传统的平面电极替换为在水相中分散活性材料的流动电极，离子的传输速度可以显著加快，从而提高盐的去除率。自所谓的流动电极电容去离子（FCDI）技术问世以来，它在脱盐、水软化、废水处理和资源回收等潜在应用中得到了广泛的研究。当以短路闭环（SCC）模式运行时，电极可以通过中和外部电极水箱中的电荷进行持续再生，这使得能实现连续操作，克服了传统CDI系统的容量限制。集流体是FCDI系统中不可或缺的部分，它负责在流动电极和外部电源之间导电，而其结构决定了FCDI系统中电荷转移过程、流场和电场的分布。传统电流收集器大多由石墨制成，呈二维（2D）形式，通常与蛇形流道结合，这导致与流动电极接触不良，从而使电荷转移的动力学较慢。传统电流收集器在低电压下产生的电场较弱，导致离子迁移动力学缓慢。因此，优化传统2D平面电流收集器的设计对于提升FCDI系统的脱盐性能至关重要。为了优化电流收集器，以增强电荷转移和优化流场，进行了大量研究。目前，常用的两种策略是结构优化和表面改性。具体来说，一种有效的方法是将电流收集器的二维结构转变为三维（3D）结构（例如，钛网/泡沫和镍泡沫）。3D结构可以缩短电荷转移距离并增加电荷转移面积，从而降低系统的内阻，提高盐去除率、充电效率和降低能耗。然而，由于3D结构的曲率有限，电场强度受到限制，离子/电荷传输阻力较高，导致传输动力学效率仍然不尽如人意。另一个方法是改变电流收集器的结构，例如阿基米德螺旋、驱蚊香型、双费马螺旋流道或六边形蜂窝型流道。合理设计的流道增加了流动电极的流速，并构建了电荷渗透网络，从而改善了脱盐性能（例如，使用阿基米德螺旋流道实现了1.83倍的增益）。表面涂层也被证明有效。通过用聚苯胺涂覆石墨电流收集器，电流收集器的导电性提高了3.6倍，从而增强了电荷转移效率。涂层材料还改变了电流收集器的表面极性，从而减少了流动电极的沉积。然而，流动电极与电流收集器之间的摩擦对表面涂层的稳定性构成挑战，可能导致涂层脱落或发生化学反应，改变其性质并导致性能下降。根据高斯定律，表面电场强度与导体的曲率成正比。这种效应也被称为局部电场增强（LEFE），已在电化学灭菌和电催化等领域得到广泛应用。因此，考虑到尖端电极可以产生更高的局部电场，从而加速电荷转移和离子传输，尖端形电流收集器有望提高FCDI的脱盐性能。然而，迄今为止尚未有报告将LEFE策略应用于FCDI系统，其潜在机制仍需深入探索。本文开发了一种新型尖端阵列结构的电流收集器，以增强流动电极电容去离子化（FCDI）技术。研究首先通过计算模拟探讨了电流收集器对流场和电场的影响，随后通过电化学阻抗谱及松弛时间分布分析揭示了不同电流收集器装备的FCDI系统的动力学差异。评估了使用三种类型电流收集器（蛇形、平面和尖端形）的FCDI的脱盐性能。结果发现，配备尖端阵列电流收集器的FCDI系统在性能上显著优于其他系统。
图文导读
作者的FCDI系统结构如图1a所示。当FCDI系统施加恒定电压时，阴离子和阳离子通过阴离子交换膜（AEM）和阳离子交换膜（CEM）迁移，受到电力的驱动。随后，这些离子被带电的碳颗粒捕获，在碳表面形成电双层（EDL）。含离子的碳颗粒随后被抽送并混合在外部流动电极储槽中进行再生，其中电荷达到平衡，EDL减小，离子从碳颗粒释放到溶剂中。电流收集器在FCDI系统中起着至关重要的作用，因此首先采用选择性激光熔化技术制造了两种良好亲水性的316 L不锈钢电流收集器（图S4中提供的详细性能信息见表S4），分别命名为平面电流收集器（P-CC）和尖端阵列电流收集器（T-CC）。相应地，装备这些电流收集器的FCDI系统分别称为P-FCDI和T-FCDI。图1b展示了电流收集器的微观形态和元素分布（表明存在Fe、Cr、Ni和Mo元素）。尖端呈锥形，底部直径为2毫米，高度为1毫米。值得注意的是，较小的底部直径（因此更高的尖端密度）根据作者的初步筛选模拟能实现更高的性能，但由于当前金属3D打印的技术限制，作者在此使用的是10×10的尖端阵列结构（对应底部直径为2毫米）。图1c和1d展示了P-FCDI和T-FCDI的结构，其中电流收集器是这两种FCDI系统之间的唯一区别。![]()
Fig. 1 a System setup of the three-chamber FCDI system; b FE-SEM
images and elemental mappings of the P-CC and T-CC; Schematics of the FCDI
cells equipped with different current collectors: c P-FCDI, and d T-FCDI
流室的几何形状和流速是影响流动模式的两个主要因素，从而对粒子的碰撞和导电网络的形成产生重大影响。为研究不同电流收集器中流动电极的水动力特性，作者采用了计算流体动力学（CFD）模型，模拟固体含量为5 wt%的流动电极，在不同的进口流速下进行速度分布模拟。图2a显示了P-CC和T-CC在不同流速下的流道速度分布。这两种电流收集器的流道均表现出明显的边界层效应，即靠近壁面的速度明显低于流道中间的速度，这一点在图2b和2c中表现得更加明显。值得注意的是，边界层中粒子沉积的可能性更高，电荷传导能力较差。在P-CC中，流动电极展示出规则的层流分布，几乎没有明显的湍流。相比之下，在T-CC中，通过尖端时，浆液的速度显著增加，这是由于通道的收窄。图2d展示了两种电流收集器的流速箱线图，数据来自有限元法（FEM）模拟结果中的所有网格。在箱线图中，点表示平均速度，箱体内包含四分位范围内的速度数据（占数据集的50%）；箱体中的水平线是数据集的中值，上下水平线分别是最大值和最小值。可以看出，T-CC在所有流速下均提高了平均流速。有趣的是，两个电流收集器的四分位范围没有显著变化。然而，T-CC在高流速范围内（浩大数据集的前25%）提高了流动速度，表明T-CC诱导的局部流场增强效应（详细数据见表S5）。在原位流体传输和混合实验中也得到了证实（结果见图S6）。在进口流速为15 mL min−1的情况下，进一步跟踪碳颗粒的速度以研究电流收集器对流动行为的影响（粒子建模基于超粒子（SP）方法，详见补充说明3.2）。图2e和2f展示了P-CC和T-CC中碳颗粒的速度分布，视频版本可在在线资源中找到（ESM_4-7.avi）。在P-CC中，边界层中的颗粒移动相对较慢（因此沉积风险相对较高），而流道中间的颗粒则以更稀散的分布快速流动。因此，P-CC中的颗粒仅在有限的流动层范围内流动，粒子与粒子及粒子与电流收集器之间的相互作用较弱，这不利于导电网络的形成。相对而言，在T-CC中，颗粒以波动的方式移动。对于边界层中的颗粒，碰撞到电流收集器并获得电荷后，在逆动量和流体拖拽的影响下，它们迅速离开壁面，导致在与流动方向垂直的方向上粒子碰撞更频繁。因此，尖端结构有效地转移了边界层中的带电颗粒，加强了与流动方向垂直的粒子相互作用。一方面，这减轻了边界层中碳颗粒的过度积累，从而促进了电荷的渗透；另一方面，它充分利用了电极室中的碳颗粒（即增加了等效流动电极的固体含量），从而实现更高的脱盐性能。![]()
Fig. 2 a Flow velocity distributions at different inlet flow rates
in P-CC and T-CC; The velocity distributions in the cross-sectional direction
for: b P-CC, and c T-CC; d Boxplots of the flow velocities for P-CC, and T-CC;
Velocity distributions of the particles in: e P-CC, and f T-CC, in which the
inlet flow rate was 15 mL min−1
通过使用静电场模拟模型，作者模拟了配有P-CC和T-CC的FCDI单元在不同电压下的电场分布（图3）。模拟结果表明，随着电压的增大，两种类型的FCDI单元的电场强度均有所增加。在所有研究的电压下，P-FCDI中的电场分布表现出均匀且平行的特征。当电压从1.0 V增加到3.0 V时，P-FCDI的平均电场强度从113 V m−1提高到333 V m−1。相比之下，T-FCDI在尖端附近表现出显著的电场增强。电压从1.0 V提高到3.0 V时，T-FCDI的平均电场强度从1.0 V时的119 V m−1增加到3.0 V时的358 V m−1。最引人注目的是，尖端的最大电场强度在1.0 V时达到了614 V m−1，约为平面区域电场强度的5.2倍。在3.0 V时，尖端的电场强度达到1840 V m−1，增强的电场延伸到离子交换膜表面，从而为离子迁移提供了更高的驱动力。![]()
Fig. 3 Simulation results of the electric field distribution in
P-FCDI, T-FCDI, and the tip of the T-CC
模拟结果表明，P-CC中的表面电荷密度分布是均匀的。随着电压的增加，电荷密度逐渐增加，但仍然保持均匀分布（图4）。当电压从1.0 V增加到3.0 V时，P-FCDI的平均表面电荷密度从69 nC m−2提高到207 nC m−2。同样，T-FCDI在尖端附近表现出显著的表面电荷密度增强。在T-FCDI中，电场强度从1.0 V时的104 nC m−2增加到3.0 V时的314 nC m−2。在T-CC的表面上，电荷密度分布呈现出火山形状（尖端的电荷密度较高，随着曲率的降低而减少）。这表明局部电场增强效应是由于电荷在尖端的集中，因为那里导体表面的曲率最大。尖端效应为在较低工作电压下的脱盐提供了更大的电场驱动力，从而加速了离子迁移和FCDI系统的电荷转移动力学。![]()
Fig. 4 Simulation results of the surface charge density distribution
in P-FCDI, T-FCDI, and the tip of the T-CC
为了研究不同电流收集器配备的FCDI系统的电化学特性，作者获取了电化学阻抗谱，并采用松弛时间分布（DRT）分析来解耦阻抗数据（图S7a，b中显示的点）。通过将谱图差分为一系列并联的电阻-电容（RC）电路，生成了DRT图（如图S7c所示，其中插图放大了高松弛时间区域）。值得注意的是，所有的阻抗数据都是在半平衡条件下获取的，并通过克拉默斯-克罗尼格有效性测试进行了验证（图S7d）。在通过电化学阻抗光谱与松弛时间分析（EIS-DRT）研究不同电流收集器之间的动力学差异之前，必须识别DRT图中出现的不同峰值。首先，作者从一个FCDI系统（本节中配备两个T-CC）获取了阻抗谱，其流动电极中固体含量为0 wt%（即ED系统）。盐水的盐度固定在3.5 g L−1，流速从0调节到30 mL min−1，而流动电极的流速固定在30 mL min−1。得到的DRT图如图5a所示。松弛时间约为40 s的峰值强度是所有峰中松弛时间最长且强度最高的，随着盐水流速的增加而减小。因此，这个峰可以归因于离子运输过程。离子交换膜（IEM）附近扩散层的厚度随着流速的增加而减少，从而减轻了IEM表面的浓度极化。然后，在不同盐度下，获取了ED系统和固体含量为5 wt%的FCDI系统的DRT图，如图5b，c所示。高松弛时间区域的DRT图显示出与图5a相同的趋势，表明更高的盐浓度导致更低的离子运输障碍。随后，获得了不同流速下流动电极的FCDI系统的DRT图，如图5d所示，离子运输障碍随着流速的增加而减小。与图5a相比，流动电极的流速对离子转移障碍的影响大于盐水的影响。因此，可以得出结论，通过加入碳颗粒可以增强离子转移过程。系统的内部电阻（IR）是通过高频区域的EIS数据评估的。正如图S8a，b所示，对于ED系统，内部电阻随着流速或盐浓度的增加而减小。而对于FCDI系统，更高的盐浓度也导致较低的内部电阻（图S8c）。两个系统的内部电阻下降速率与浓度的关系类似，即ED系统为−3.485 Ω L g−1，FCDI系统为−3.715 Ω L g−1。然而，流动电极引发的趋势相反，即内部电阻随着流动电极流速的增加而增加（图S8d）。这与CFD模拟结果一致，流动电极流速的增加导致边界层效应更加显著，使电荷转移过程变得更加困难，从而导致内部电阻上升。DRT数据的对数变换揭示了电化学系统中涉及的电化学过程的整体情况。如图5e所示，对于ED系统，松弛时间约为10–4、10–3和10–2s的三个小峰分别归因于电流收集器/电解质界面的电荷转移过程、电流收集器的腐蚀反应和气体生成反应（即水分解和氯气生成反应）。重叠峰与电双层（EDL）形成过程相关。值得注意的是，FCDI系统的DRT图的短松弛时间区域出现了一个新峰（图5f）。可以合理推测，这个峰是流动电极的电荷转移过程所致，因为此峰仅在FCDI系统中观察到（而在ED系统中不存在）。作者进一步通过对不同固体含量的FCDI系统进行EIS-DRT分析来验证这一假设。如图5g所示，较高的流动电极固体含量导致更低的离子运输障碍。同时，在DRT图的低松弛时间区域中显示的电荷转移障碍（图5h）和系统内部电阻（图5h的插图）随着流动电极中固体含量的增加而持续减小。这可以理解为，较高的固体含量可以形成更好的导电网络，提高连接性和完整性。![]()
Fig. 5 DRT plots obtained at various conditions: a effect of flow
rate of saltwater, b effect of salt concentration (the solid content in FE was
0%), c effect of salt concentration (the solid content in FE was 5%), and d
effect of flow rate of flow electrode; Logarithmic transformed DRT plots for: e
ED system, and f FCDI system with different salt concentrations; DRT plots
magnified at different time regions for: g high relaxation time region, and h
low relaxation time region in which the inset is the dependence of internal
resistance on the solid content
因此，可以看出，松弛时间最低的峰值（P1）归因于流动电极的电荷转移过程（图6a）。系统的内部电阻被视为系统的总等效电阻（图6b）。等效电路模型（图6b的插图）由电流收集器电阻（Rcc）、流动电极和电流收集器之间的接触电阻（Rc）、背景电解质电阻（Re）以及流动电极电阻（RFE）组成。松弛时间最长的峰值（P2）归因于离子运输过程（图6c），这个过程可以分为三个步骤：（1）跨膜离子运输，（2）电解质中的离子运输，以及（3）碳孔中的离子运输。对应操作条件增加时，P1和P2的强度变化趋势以及内部电阻（IR）的值汇总在图6d中。可以预期，P1和P2的峰值强度越低，内部电阻值越低，脱盐性能就会越高。![]()
Fig. 6 Schematics of: a charge transfer process of the flow
electrode, b system internal resistance, and c ion transport process; d
Dependence of the intensity of P1 (P2) and the value of IR on the operation
condition. The up arrow and the down arrow refer to the positive correlation
and negative correlation, and the horizontal arrow indicates that there is no
obvious dependence between two variables
为了研究T-CC的促进作用，作者构建了两种电极FCDI系统的不同电流收集器组合，即两个P-CC作为负极和正极（称为P-P FCDI），一个P-CC和一个T-CC（称为P-T FCDI），以及两个T-CC（称为T-T FCDI）。这些系统的Nyquist图如图7a所示。显然，从Nyquist图的高频区域（图7b）可以看出，T-T FCDI的内部电阻（13.83 Ω）低于P-T FCDI（14.00 Ω）和P-P FCDI（14.40 Ω）。这些系统获得的DRT图显示在图7c和7d中。可以看出，T-T组合表现出最低的离子运输障碍和流动电极电荷转移障碍，这证实了T-CC赋予的最佳流场和电场。![]()
Fig. 7 a Full frequency, and b high-frequency region of the Nyquist
plots; DRT plots in: c high relaxation time region, and d short relaxation time
region obtained from the P-P, P–T, and T-T combinations
P-FCDI、T-FCDI和S-FCDI（即配有传统电流收集器和蛇形流道的FCDI单元）的脱盐性能首先在固体含量为5 wt%和盐水盐度为3.5 g L−1的条件下进行评估。结果并不令人惊讶，T-FCDI在所有电压下显示出最高的平均去盐率（ASRR）和能量归一化去盐量（ENRS）（图8a）。具体而言，在1.5 V时，T-FCDI的ASRR为0.50 μmol cm−2 min−1，比P-FCDI（0.30 μmol cm−2 min−1）和S-FCDI（0.19 μmol cm−2 min−1）分别高出1.67倍和2.65倍。T-FCDI在1.5 V下的ENRS为7.12 μmol J−1，分别比P-FCDI（5.65 μmol J−1）和S-FCDI（3.80 μmol J−1）高出1.26倍和1.87倍。如图S9a所示，对于FCDI系统，CE随着电压的增加而降低。这可以理解为离子运输电荷（QI，基于NP方程）和法拉第反应贡献的电荷（QF，基于gFBV方程）都随着电压的增加而增加（在LSV结果和XPS数据中得到证实，见图S10和S11）。然而，作者可以合理假设，对于FCDI系统，QI的增加幅度小于QF的增加幅度，这表明FCDI更适合在低电压下运行。矛盾在于，为了确保脱盐率，必须适当地提高电压，从而牺牲部分QF以实现更多的QI。在所有FCDI系统中，T-FCDI表现出最高的CE，这可以通过以下三个原因来解释：首先，T-CC可以增强局部电场强度。根据NP方程，这可以增加离子迁移的驱动力，从而增强离子运输（即增加QI）；其次，T-CC优化了电场和流场，促进了电流收集器与碳颗粒之间的电荷转移，从而避免了电流收集器表面电子的积累，抑制法拉第反应（即降低QF）；第三，电子可以均匀分布在碳颗粒的表面，增加碳颗粒表面的局部电场强度。根据改进的Donnan（mD）模型，碳颗粒表面静电势的增加可以提高每个颗粒的离子储存能力，从而改善离子运输动力学（即增加QI）。进一步研究了流动电极固体含量对性能的影响（见图8b和S9b）。ASRR、ENRS和CE随着流动电极固体含量的增加而增加，并在流动电极固体含量为5 wt%时达到最大值，超过该值后这些指标全部下降。在低流动电极固体含量下，3D导电网络不足，导致电荷转移和离子运输动力学不良。当流动电极固体含量增加时，导电网络得到改善，从而提高了脱盐性能。然而，当流动电极固体含量高于最佳值时，会发生流动电极沉淀和拥堵（见图S12）。因此，碳颗粒中携带的电荷可能无法被对离子中和并参与离子运输（即贡献于QI）。相反，碳颗粒直接流入外部流动电极储液槽并平衡自身的电荷。这可能导致耗散电荷（QD）的增加，从而导致CE降低。为了进一步理解T-FCDI的增强机制，评估了四种系统的ASRR（图S9c）和ENRS（图S9d）：P-ED（即配有P-CC的ED系统）、T-ED（即配有T-CC的ED系统）、P-FCDI和T-FCDI。在所有条件下，FCDI系统的ASRR和ENRS均高于ED系统。配有T-CC的系统的ASRR和ENRS高于配有P-CC的系统。这是因为T-CC造成的流场和电场增强。如图8c所示，ED系统和FCDI系统在CE对电压的依赖性上存在显著差异。随着电压的增加，两个FCDI系统的CE均下降，而ED系统的CE逐渐增加到约90%，随后在电压超过2.5 V时略有下降。这一现象的原因在于QI和QF随电压增加的幅度不同。在低电压下（例如，低于2.5 V），增加电压会导致QI增加幅度大于QF，因此对CE产生正面影响。高电压下（例如，超过2.5 V）QI和QF的相对变化导致图8c中出现的反向趋势。
不同电压下的ASRR增强（计算公式为：ASRRT-FCDI-ASRRP-FCDI）/ASRRP-FCDI）和FCDI贡献（计算公式为：ASRRFCDI-ASRRED）/ASRRFCDI）如图8d所示。结果表明，随着电压的增加，ASRR增强先增加后下降，在1.5 V时达到最大值（66.9%），而在2.5 V（8.8%）和3 V（6.0%）时变得微不足道。FCDI贡献的变化趋势显示出与ASRR增强类似的行为，在1.5 V时达到最大值（T-FCDI为63.9%，P-FCDI为48.5%）。可以合理得出结论：（i）FCDI系统的离子运输机制是电压依赖的（图8e）。在低电压下，离子迁移的电势梯度相对较低，电渗析的贡献微弱，电容吸附过程占主导（因此表现出FCDI类型的离子捕获）。在高电压下，FCDI系统可以视为与ED系统相同（因此表现出ED机制），可以发现由于流动电极导致的导电性改善而有稍微的增强；（ii）T-CC的增强效果主要在FCDI模式下有效（而不是在ED模式下）。T-CC在优化流场和流动电极的电荷转移方面的作用超出了其由于电场增强效应而增强离子运输的作用（图8f）。![]()
Fig. 8 a ASRR, ENRS for S-FCDI, P-FCDI and T-FCDI; b ASRR and ENRS
for T-FCDI with different solid contents in the flow electrode (FE); c CE
comparison plots of the ED and FCDI systems equipped with different current
collectors; d ASRR enhancement of T-FCDI and FCDI contribution of P-FCDI and
T-FCDI; e Schematic of the voltage-dependent ion transport mechanism in FCDI; f
Schematic of the T-FCDI enhancement mechanism
为了评估T-FCDI系统的长期稳定性，作者进行了24小时的连续脱盐测试。如图9a所示，随着脱盐过程的进行，盐水的浓度不断减少。盐浓度从3.5 g L−1（Na+浓度为1375.9 ppm）降低到3.85 mg L−1（Na+浓度为1.56 ppm），相应的去盐效率（SRE）达到99.89%（图9a）。在整个测试过程中，T-FCDI系统的CE始终保持在95%以上。作者还进行了7天的连续运行，ASRR保持在90%（见图S13），这证明了其卓越的长期稳定性。图9b展示了P-FCDI和T-FCDI在不同标准下的产水能力。在这里，饮用水符合世界卫生组织（WHO）的标准，工业水（低于394 ppm）和灌溉水（低于1000 ppm）的标准符合中国国家标准（GB 5084-2021和GB/T
19923-2005）。T-FCDI系统在饮用水、工业水和灌溉水方面的生产能力分别为3.25、4.19和13.82 L m−2 h−1，比P-FCDI高出1.82倍、1.91倍和2.51倍。这些结果展示了T-FCDI在脱盐淡水方面的巨大潜力。这项工作中开发的T-FCDI性能可与迄今为止报道的FCDI系统在NaCl脱盐方面的领先结果相媲美，甚至更优（见图9c，详细信息见表S6）。随着生产能力或去盐效率的提高，FCDI系统的特定能耗（SEC）也在增加，如图9d所示。可以看出，T-FCDI在灌溉水或盐碱地改良方面特别适合，用于脱盐淡水（即高产水但低去盐效率）。由于T-FCDI系统的低成本、小体积和易于管理等特点，T-FCDI也是个人或家庭水处理设备或便携式水处理装置（即高去盐效率但低产水量）的一个有希望的选择。通过使用膜堆配置，可能实现更高的能效和生产能力。![]()
Fig. 9 a Concentration variation profiles of the saltwater and CE
profiles of the P-FCDI and T-FCDI. The inset is the Na+concentration of the saltwater before and after 24 h of desalination test; b
Productivity of the FCDI systems for different applications; c Performance
comparison plots of the S-FCDI, P-FCDI and T-FCDI with literature data; d
Specific energy consumption (SEC) for T-FCDI as a function of salt removal
efficiency and productivity
结论
本研究使用选择性激光熔化技术3D打印了一种带有尖端阵列结构的不锈钢电流收集器，用于FCDI系统。计算流体动力学和颗粒跟踪模拟表明，尖端电流收集器（T-CC）能有效缓解边界效应并增强局部流速。同时，电场模拟显示尖端结构能够提高局部电场强度和表面电荷密度。通过电化学阻抗谱及松弛时间分布分析，发现T-FCDI具有最低的离子运输障碍、流动电极电荷转移障碍以及系统内部电阻。脱盐测试结果表明，在5 wt%固体含量、1.5 V操作电压以及3.5 g L−1 NaCl进水条件下，T-FCDI的平均去盐率（ASRR）和能量归一化去盐量（ENRS）分别达到了0.50 μmol cm−2 min−1和7.12 μmol J−1，分别比传统的蛇形电流收集器FCDI系统高出2.65倍和1.87倍。作者发现FCDI的离子运输机制依赖于电压，在低电压时主要涉及电容吸附，而在高电压时则是离子迁移。尖端增强效果对前者施加作用，增强的流场和电场促进了电荷转移和离子运输，从而提升脱盐性能。最后，进行了24小时的连续脱盐测试，获得了99.89%的去盐效率，并且T-FCDI在整个测试期间的电荷效率始终保持在95%以上，证实了其卓越的长期稳定性。尖端增强的FCDI系统有效提升了脱盐性能，未来可能成为个人或家庭水处理设备或便携式水处理装置的有前途选择。关注环材有料视频号，提供会议、讲座等直播服务！
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