单吡咯氮工程碳电极实现选择性银回收：电容去离子技术的突破

本文报道了一种通过脱氟介导热解策略合成单吡咯氮掺杂碳材料（SPNCM），用于电容去离子（CDI）选择性Ag+吸附。该电极在0.8 V、2500 mg/L AgNO3溶液中展现出1538.8 mg/g的吸附容量和99.63%的去除率，且在混合重金属溶液中保持高选择性（ρMAg >15）及95.05%的循环稳定性。研究通过多尺度模拟揭示了吡咯-N五元环凭借短键长和高电子局域化特性，成为Ag+吸附和电荷转移的双理想位点，为氮掺杂碳基CDI材料的原子级设计提供了新见解。

　　

亮点

单吡咯氮掺杂碳材料（SPNCM）通过脱氟介导热解策略合成，其吡咯氮构型纯度接近100%。该材料在0.8 V电压下对Ag⁺的吸附容量高达1538.8 mg/g，去除效率达99.63%，且在混合重金属溶液中表现出卓越的选择性（ρ_M^Ag >15）。经过25次吸附-脱附循环后，容量保持率仍达95.05%。多尺度模拟与实验表明，吡咯-N五元环凭借短键长和高电子局域化特性，成为Ag⁺高效吸附和快速电荷转移的双重理想位点。

结果与讨论

方案1展示了通过两步法合成SPNCMs的策略：低温脱氟共缩合 followed by KOH活化热解。以3-氨基苯酚、3-氟苯酚和甲醛为前驱体，在氨催化下进行水热共缩聚，形成交联的F-APF树脂。其桥联方式包括：（i）通过邻/对位C-H取代形成亚甲基桥（-CH₂-）；（ii）通过N-H取代形成胺-亚甲基桥（-CH₂-NH-）；（iii）通过羟甲基-胺桥（-CH₂-N(CH₂OH)-）实现甲基醇胺桥联。

结论

我们通过两步热解策略，利用氟苯酚-氨基苯酚-甲醛树脂前驱体合成了SPNCM。SPNCM增强的Ag⁺去除能力源于双电层电容（EDL capacitance）和配位驱动化学吸附机制的协同贡献。凭借超高比表面积（924.3 m²/g）、优化的孔径分布和策略性吡咯氮掺杂，SPNCM表现出快速的电荷/离子存储和高赝电容（58.54%）。采用SPNCM的对称CDI器件在Ag⁺回收方面创下纪录，为重金属污染控制提供了新材料设计范式。