電容去離子法具有高效、低環(huán)境污染、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是解決淡水短缺問題的有效方法。然而，開發(fā)先進(jìn)的電極材料來提高電容去離子化性能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文將Lewis酸性熔鹽蝕刻和電偶取代反應(yīng)相結(jié)合，成功制備了分級(jí)鉍納米片(Bi-ene NSs)@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了熔鹽蝕刻副產(chǎn)物的有效利用。垂直排列的鉍納米片均勻地原位生長在MXene表面，不僅促進(jìn)了離子和電子的傳遞，提供了豐富的活性位點(diǎn)，而且提供了鉍與MXene之間強(qiáng)烈的界面相互作用。綜上所述，Bi-ene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為一種極具前景的電容去離子化電極材料，具有較高的海水淡化容量(在1.2 V時(shí)為88.2 mg/g)、快速的海水淡化速率和良好的長期循環(huán)性能。通過系統(tǒng)表征和密度泛函理論計(jì)算，闡述了所涉及的機(jī)制。這項(xiàng)工作為基于MXene的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備及其在電容去離子化中的應(yīng)用提供了啟發(fā)。
圖1. 雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備原理。
圖2 (a) Cu@MXene、純MXene和Bi-ene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的XRD圖譜。(b)純MXene和Bi-ene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拉曼光譜。(c) Bi-ene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高分辨率Ti 2p和(d) Bi 4f XPS光譜。
圖3. (a, b)典型的SEM圖像，(c, d) TEM圖像和(e−g) HAADF-STEM圖像以及Biene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)元素映射。
圖4 (a)雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和本體鉍在2 mV/s下的CV曲線。(b) Bi-ene NSs@ MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和本體鉍的奈奎斯特圖。(c) CV曲線和(d)不同掃描速率下雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電容貢獻(xiàn)。
圖5 (a)電導(dǎo)率瞬變，(b)相應(yīng)的海水淡化能力瞬變，(c) 1.2 v時(shí)Bi-ene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和體積鉍的海水淡化速率瞬變。(d) Bi-ene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和其他HCDI系統(tǒng)的Kim−Yoon−Ragone圖。(e)在各種恒定電位下，雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和散裝鉍的淡化能力。(f)雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)在1.2 V下的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。
圖6 (a)在海水淡化過程中帶電/放電狀態(tài)下的Bi-ene NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的XRD分析。(b)雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)在帶電/放電狀態(tài)下的高分辨率Bi 4f光譜。(c)以雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為負(fù)電極的組裝HCDI系統(tǒng)的示意圖。
圖7 (a)雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和本體鉍的總和部分態(tài)密度(DOS)。(b)雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異電荷密度。電荷的積累和消耗分別用淺黃色和藍(lán)色表示。(c)氯離子在雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和本體鉍表面的擴(kuò)散路徑示意圖。(d) Cl
−對(duì)應(yīng)的雙烯NSs@MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)和本體鉍的擴(kuò)散能壘產(chǎn)物。
相關(guān)科研成果由河北工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院Jiapeng Liu等人2023年發(fā)表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11430)上。原文：Vertically Aligned Bismuthene Nanosheets on MXene for High-Performance Capacitive Deionization。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
