在APXPS操作下揭示了膜电容去离子过程中的离子特异性动态行为

《ACS ES&T Engineering》：Operando APXPS Reveals Ion-Specific Dynamics in Membrane Capacitive Deionization

膜电容去离子技术中Na+和Cs+的离子传输与电吸附行为通过原位软X射线光电子能谱研究，发现Cs+吸附速率更慢源于水合能差异及膜水含量变化，并揭示局部电势动态及电极邻近电场屏蔽效应。

　　

膜电容去离子（MCDI）是一种有前景的电化学方法，可用于从稀盐水中选择性去除离子。然而，由于缺乏原位（in situ）的分子级探测手段，这类系统中特定反离子（尤其是在施加电场作用下的行为）仍知之甚少。在这项研究中，我们利用原位（operando）的低压X射线光电子能谱（APXPS）技术来研究在定制设计的MCDI电池中单价阳离子（Na⁺和Cs⁺）的传输和电吸附行为。研究结果表明，Cs⁺的吸附速率明显低于Na⁺，我们认为这归因于它们的水合能差异及其对膜整体含水量的影响。此外，我们还追踪了吸附-解吸循环过程中的局部电势变化，发现核心能级结合能会随电势变化而改变。根据研究结果，PVA粘合剂和电解质附近的局部电势较为相似；然而，这些离子在电池电压变化时所经历的局部电势变化并不像电解质和PVA基体那样显著。这种较小的响应可能是由于吸附离子靠近导电电极所致，因为在电极附近电场被强烈屏蔽，从而突显了电势调制对位于电极-电解质界面不同距离处的离子的差异性影响。本研究直接揭示了MCDI中离子的特异性动态行为，并表明低压APXPS是一种强大的原位工具，可用于探究水处理技术中的电膜过程。