通过三维导电网络结构MoS2/PPy/PANI电极利用电容去离子作用有效去除Pb2+

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effective removal of Pb2+ by 3D conductive network structure MoS 2/PPy/PANI electrode using capacitive deionization

高效去除铅离子的复合电极材料设计及性能研究。采用水热法制备二维MoS?层状结构，通过原位聚合形成三维导电网络（PPy/PANI负载于MoS?层间及间隙），显著提升离子扩散通道和电导率。在pH5、1.2V条件下，电极对100mg/L Pb2?的吸附容量达257.04mg/g，去除率99.71%，经25次吸附/脱附循环后仍保持62.3%效率，且在混合阳离子环境中展现高选择性和稳定性。

　　铅离子（Pb2?）作为高毒性的重金属之一，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。在工业废水、采矿活动和农业污染等过程中，大量铅离子被排放到环境中，污染水源、土壤等自然系统。这种污染不仅影响水生生物的生长和繁殖，还可能破坏生态平衡。因此，开发高效、环保的铅离子去除技术显得尤为重要。在众多处理方法中，电容去离子（Capacitive Deionization, CDI）技术因其低能耗、操作简便以及对环境友好等优点，逐渐成为一种备受关注的解决方案。然而，CDI技术在实际应用中仍面临诸多挑战，例如电极材料的性能限制、离子扩散效率不足以及系统的长期稳定性问题。本文针对这些问题，提出了一种基于三元复合材料MoS?/PPy/PANI的CDI系统，旨在提高铅离子去除效率并增强系统的循环稳定性。

MoS?作为一种典型的二维材料，具有独特的S-Mo-S层状结构，层间间距较大，电化学活性位点丰富，电解质离子的传输通道也较为畅通。这些特性使其在伪电容离子插入过程中表现出较高的脱盐能力。然而，MoS?作为CDI电极材料也存在一些固有的缺陷，例如其导电性较低、层状结构容易发生堆叠从而限制离子扩散，并且在电压超过1.2 V时容易发生水的电解副反应。为了解决这些问题，研究者们尝试将MoS?与其他材料复合，如碳基材料（如活性炭、碳纳米管、石墨烯等）、金属氧化物、过渡金属碳化物/氮化物等，以提高其导电性并增强其结构稳定性。例如，MoS?与磁性木质素衍生碳（Fe?O?/PLC-MoS?）复合后，其对Pb2?的吸附容量达到236.1 mg/g，表现出良好的循环稳定性；而MoS?/NHCS（空心纳米花MoS?/氮掺杂碳空心球）复合材料则因其良好的亲水性和导电性，对Pb2?的去除率达到96.9%。此外，通过将MoS?与氧化石墨烯（prGO-MoS?）复合，形成的开放结构不仅提高了S2?和氧基团的可及性，还使Pb2?的吸附容量达到762 mg/g，显示出极大的应用潜力。

尽管上述研究在一定程度上提升了MoS?的性能，但其在离子嵌入过程中仍存在体积膨胀的问题，这会限制其在实际废水处理中的应用。为了克服这一问题，研究者们开始关注将MoS?与其他具有导电性的材料结合，尤其是二维/三维复合材料（如石墨烯、MXene等）。这类材料不仅能够有效抑制MoS?纳米片的堆叠现象，还能通过构建导电网络来提升复合材料的整体导电性。例如，石墨烯和MXene等材料的引入，可以显著改善MoS?的导电性，同时增强其结构的稳定性，使其在长期运行中仍能保持较高的脱盐效率。

在CDI系统中，导电聚合物如聚吡咯（PPy）和聚苯胺（PANI）因其独特的电化学性能而受到广泛关注。PPy具有良好的环境稳定性和较高的导电性，这使其在CDI系统中表现出较高的应用潜力。然而，PPy自身存在一定的脆性，且在高温下容易发生分解。此外，其导电性在很大程度上依赖于掺杂剂的稳定性，这在实际应用中可能会带来一定的不确定性。为了改善PPy的性能，研究者们尝试将其与碳纳米管（CNTs）通过原位聚合或水热法结合，形成三维导电互连结构（如CNT/PPy）。这种结构不仅能够作为MoS?纳米片的生长基底，还能有效抑制MoS?层间的堆叠现象，提供快速的电荷传输通道。同时，PPy的引入还可以增强材料的导电性，提高其在CDI系统中的整体性能。

PANI则以其出色的电荷存储能力而著称。其高导电性有助于降低界面电阻，提高电荷转移效率。此外，PANI的π共轭双键结构使其能够通过可逆的p型掺杂/脱掺杂氧化还原反应产生显著的伪电容效应。因此，PANI在CDI系统中也具有广泛的应用前景。为了进一步提升MoS?电极的性能，研究者们尝试将PANI原位聚合在MoS?表面，形成导电骨架，从而提高复合材料的整体导电性。例如，MoS?/PANI复合电极的导电性较纯MoS?提升了2-3个数量级，这使得其在CDI系统中表现出优异的电化学性能。此外，PANI的引入还能扩展MoS?与电解液的接触面积，增加比表面积（SSA），降低内部电阻，从而提升系统的整体脱盐能力。

基于上述研究背景，本文提出了一种新型的伪电容去离子系统，该系统采用MoS?/PPy/PANI/AC的三元复合结构，其中MoS?作为主要的离子嵌入材料，PPy和PANI则作为导电聚合物网络，共同构建一个三维导电结构。这种结构不仅能够优化离子扩散通道，还能通过调节MoS?的层间间距，提高其对Pb2?的吸附能力。此外，PPy和PANI的协同作用还可以抑制MoS?的体积膨胀，从而提升系统的结构稳定性和循环性能。通过实验验证，该复合电极在1 A/g的电流密度下，表现出163.6 F/g的比电容，且在100次循环后仍能保持77%的容量保持率。在pH为5、电压为1.2 V的条件下，该电极对100 mg/L Pb2?溶液的吸附容量达到257.04 mg/g，去除率高达99.71%。此外，在25次吸附/脱附循环后，其Pb2?去除效率仍能保持在62.3%。值得注意的是，即使在多价阳离子共存的情况下，该复合电极仍能保持较高的吸附容量（240.15 mg/g）和良好的选择性，显示出其在复杂废水处理中的广泛应用前景。

在材料制备方面，本文采用水热法合成MoS?，并通过原位聚合方法制备MoS?/PPy/PANI复合材料。具体而言，首先通过水热法合成MoS?纳米片，然后在其表面和层间空隙中进行PPy和PANI的原位聚合，形成一个三维导电网络结构。这一过程不仅能够有效填充MoS?层间的空隙，还能通过导电网络的构建，提高复合材料的导电性。此外，PPy和PANI的协同作用还能改善MoS?的结构稳定性，使其在长期运行中不易发生堆叠或体积膨胀。通过这种方法制备的MoS?/PPy/PANI复合电极，在电化学性能测试中表现出优异的性能，其比电容、循环稳定性以及对Pb2?的吸附能力均优于单一材料或简单的二元复合材料。

为了进一步验证该复合材料的性能，本文还对其形貌和结构进行了表征。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，MoS?纳米片呈现出层状结构，层间存在一定的孔隙，表明其具有良好的离子扩散通道。而在MoS?/PPy和MoS?/PPy/PANI复合材料中，PPy和PANI纳米颗粒成功地被负载在MoS?的表面和层间空隙中，形成更加丰富的孔隙结构。这不仅增加了材料的比表面积，还有效改善了离子的扩散路径，从而提升了其对Pb2?的吸附能力。此外，通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等分析手段，进一步确认了PPy和PANI在MoS?表面的均匀分布以及其与MoS?之间的相互作用。这些结构特征为材料在CDI系统中的高效运行提供了理论依据。

在电化学性能测试中，本文采用了一系列标准方法，包括循环伏安法（CV）、恒电流充放电测试（GCD）以及电化学阻抗谱（EIS）等。这些测试不仅能够评估材料的比电容、循环稳定性，还能揭示其内部的电荷传输机制。实验结果表明，MoS?/PPy/PANI复合电极在1 A/g的电流密度下，比电容达到163.6 F/g，显示出较高的电化学活性。同时，在100次循环后，其容量保持率仍能达到77%，说明该材料具有良好的循环稳定性。此外，在1.2 V的电压下，该电极对100 mg/L Pb2?溶液的吸附容量为257.04 mg/g，去除率高达99.71%，表明其在实际应用中具有较高的去除效率。在25次吸附/脱附循环后，其Pb2?去除效率仍保持在62.3%，进一步验证了其良好的循环性能。这些实验结果不仅证明了MoS?/PPy/PANI复合材料在CDI系统中的优越性能，也为其在重金属去除领域的应用提供了坚实的实验基础。

为了进一步提升系统的整体性能，本文还探讨了MoS?/PPy/PANI复合材料与其他材料的协同作用。例如，在CDI系统中，通常采用活性炭（AC）作为对电极，以实现对称的电荷分布和高效的离子去除。通过将MoS?/PPy/PANI与AC结合，形成MoS?/PPy/PANI//AC的三元复合结构，不仅能够增强系统的整体导电性，还能通过优化电极材料的性能，提高系统的脱盐效率。此外，这种结构还能有效抑制MoS?的体积膨胀，使其在长期运行中保持较高的结构稳定性。因此，本文提出的MoS?/PPy/PANI//AC三元复合结构，不仅在电化学性能上表现出色，还在实际应用中展现出良好的可行性。

综上所述，本文提出了一种基于MoS?/PPy/PANI复合材料的CDI系统，该系统通过构建三维导电网络结构，有效提升了MoS?的导电性和结构稳定性。实验结果表明，该复合电极在1 A/g的电流密度下，表现出163.6 F/g的比电容，且在100次循环后仍能保持77%的容量保持率。在pH为5、电压为1.2 V的条件下，其对100 mg/L Pb2?溶液的吸附容量达到257.04 mg/g，去除率高达99.71%。在25次吸附/脱附循环后，其Pb2?去除效率仍能保持在62.3%。此外，该复合电极在多价阳离子共存的情况下，仍能保持较高的吸附容量和良好的选择性。这些结果表明，MoS?/PPy/PANI复合材料在CDI系统中具有良好的应用前景，能够有效解决铅离子去除中的关键问题，如导电性不足、结构稳定性差以及吸附容量低等。未来，该材料有望在实际废水处理中得到广泛应用，为重金属污染治理提供新的思路和技术支持。