用于高效废水处理与能源转化的氧化还原活性对称电池中的二价离子及卤化物双离子储存技术

该研究开发基于V2O3@C/rGO电极的红ox活性对称电池，实现低浓度废水中的Ca2+/Mg2+和Br?/Cl?/I?离子高效分离与存储，能耗76Wh/kg?1优于传统CDI技术，兼具能源存储与废水淡化功能，推动水-能源循环系统发展。

　　

背景与规模

家庭和工业废水的脱盐及回收对于保护环境和人类健康以及水资源和能源的回收至关重要。因此，从低浓度废水中高效、选择性地去除并储存二价离子（Ca²⁺和Mg²⁺）及卤素离子（Br^?、Cl^?和I^?）是一项极具挑战性的任务，但对海水淡化和能源存储系统来说却非常必要。在此，我们首次展示了一种由两个V₂O₃@C/rGO电极组成的氧化还原活性对称电池，该电池能够通过不同的离子储存机制实现二价阳离子和卤素阴离子的法拉第存储与释放，为新兴的废水-能源耦合技术的发展提供了基础。基于V₂O₃@C/rGO电极的这种氧化还原活性对称电池具有独特优势，包括无需膜结构的简化配置、通过电极自再生实现低能耗，以及高电化学性能（即高比容量、快速的离子储存与释放动力学、选择性离子捕获和长期循环稳定性）。此外，这些优势在从高浓度工业废水到低浓度家庭废水的广泛范围内均得以体现，进一步证明了从高能耗设备向能源存储-淡化集成系统转型的可行性。

亮点

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氧化还原活性对称电池能够法拉第存储二价阳离子和卤素阴离子

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无需离子交换膜即可实现高容量和选择性离子捕获

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对称电池可在不同浓度的废水中有效去除离子

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高效稳定的离子储存系统促进了废水-能源的结合

总结

我们设计了一种基于V₂O₃纳米晶体/还原氧化石墨烯（V₂O₃@C/rGO）杂化材料的氧化还原活性对称电池的节能型离子管理与高性能能源存储系统。实验和计算分析证实了V₂O₃@C/rGO通过Ca²⁺插入实现离子存储以及通过氧化还原反应转化Br^?的机制。这种由两个V₂O₃@C/rGO电极组成的对称电池既可以作为高能量密度的水基二价金属-卤素电池使用，具有高放电速率和长循环寿命，也可以作为高效节能的氧化还原活性电容去离子（RACDI）装置，在高浓度和低浓度废水中均表现出优异的盐吸附能力和速率。特别是，我们的RACDI系统的总能耗仅为76 Wh kg^?1，低于现有电容去离子（CDI）技术，这得益于无需离子交换膜的自发电极再生机制。这项工作为可持续的废水-能源耦合提供了高效稳定的能源存储-淡化集成系统的新型概念。

图形摘要