高效活化多孔淀粉衍生碳材料在电容去离子中的卓越性能研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Efficiently activated porous starch-derived carbon for high-performance capacitive deionization

为解决淡水资源短缺问题，安徽工业大学研究团队以多孔淀粉为前驱体，通过KOH活化制备高性能CDI电极材料。该材料在MCDI系统中表现出优异脱盐性能（SAC达116.53 mg g?1），且活化剂用量减少50%-80%，为可持续海水淡化技术提供新方案。

　　

随着全球工业化和人口快速增长，淡水资源的污染与短缺已成为制约社会发展的重要瓶颈。面对这一挑战，科学家们开发了多种海水淡化技术，如多效蒸馏(MED)、多级闪蒸(MSF)、反渗透(RO)和电渗析(ED)等。然而这些传统方法普遍存在成本高、操作复杂、能耗大等局限性。在此背景下，电容去离子(CDI)技术因其低成本、高效率、环境友好等优势崭露头角，成为最具潜力的新兴脱盐技术之一。

CDI技术的核心在于电极材料的选择。虽然石墨烯(GR)、碳纳米管(CNTs)、碳气凝胶(CAs)等碳材料展现出良好性能，但其高昂的成本和复杂的合成工艺制约了实际应用。相比之下，生物质衍生碳材料因其来源广泛、成本低廉、可再生等特性备受关注。然而传统生物质前驱体在活化过程中存在显著问题：淀粉中的直链和支链淀粉分子易形成高度有序结晶区，阻碍活化剂（如KOH）向颗粒内部的扩散，导致活化不均匀且需要大量活化剂（通常生物质与活化剂质量比达1:2–1:5），这不仅增加成本，更带来严重的后处理难题。

针对这一技术瓶颈，安徽工业大学研究团队创新性地选用多孔淀粉作为前驱体，通过高温碳化和KOH活化制备出高性能CDI电极材料。这种特殊的多孔结构为活化剂提供了低阻力扩散通道，使KOH能够快速渗透至颗粒核心区域，显著提高了活化效率。相关研究成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为可持续海水淡化技术的发展提供了重要解决方案。

关键技术方法包括：以市售多孔淀粉为前驱体，采用不同浓度KOH溶液（0–2.5 mol L^?1）进行真空浸渍，经过滤后实施高温碳化活化工艺，最终获得多孔淀粉衍生碳材料。通过扫描电镜(SEM)、比表面积分析(BET)等技术对材料形貌和结构进行表征，并在膜电容去离子(MCDI)系统中评估其脱盐性能。

材料表征

SEM分析显示，多孔淀粉颗粒表面分布着大量深入内部的通道结构，这些通道不仅增加了材料比表面积，更为KOH的渗透提供了理想路径。未添加KOH的碳化样品表面相对光滑，而经KOH活化后的样品则呈现出丰富的孔隙结构。随着KOH浓度增加，材料比表面积显著提升，SCK2.5样品达到1712.5 m² g^?1的优异指标。

电化学性能

电化学测试表明，多孔淀粉衍生碳材料具备理想的电化学性能。循环伏安(CV)曲线显示出典型的矩形特征，恒电流充放电(GCD)曲线呈现对称三角形，证实其良好的双电层电容行为和可逆性。电化学阻抗谱(EIS)显示较小的电荷转移电阻，说明电极材料具有优异的导电性能。

脱盐性能

在MCDI系统测试中，SCK2.5样品表现出卓越的脱盐性能。在低初始浓度(100 ppm)和高初始浓度(800 ppm)的NaCl溶液中，盐吸附容量(SAC)分别达到52.19 mg g^?1和116.53 mg g^?1，平均盐吸附速率(ASAR)分别为1.49 mg g^?1 min^?1和3.12 mg g^?1 min^?1。特别值得注意的是，经过50次连续吸附-脱附循环后，电极仍保持优异的稳定性，表明其具有长寿命应用潜力。

结论与讨论

本研究成功利用多孔淀粉的特殊结构优势，显著降低了KOH活化剂用量（减少50%–80%），同时制备出具有高比表面积、发达孔结构和丰富表面官能团的碳材料。多孔淀粉前驱体的预设计孔道结构不仅促进了活化剂的均匀渗透，还实现了对孔结构的精确调控，解决了传统生物质碳材料批次差异大的问题。该材料在MCDI系统中展现出的优异脱盐性能和循环稳定性，证明了其在海水淡化领域的应用价值。

这项研究的创新点在于：首次将多孔淀粉的特殊结构特性与CDI电极材料制备相结合，通过前驱体结构设计实现了活化过程的高效化和绿色化。所开发的SCK2.5材料不仅性能优异，更在成本控制和环境友好性方面具有显著优势，为高性能CDI电极材料的选择提供了新思路，对推动可持续海水淡化技术的发展具有重要意义。