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为解决传统过渡金属氧化物（TMO）电极在电容去离子（CDI）中存在的问题，如容量低、体积膨胀、反应动力学慢等，研究人员开展了构建V2O5/V2CO2p异质结构激活氧氧化还原的研究。结果实现了超高 CDI 性能，为高性能 CDI 材料发展提供了思路。
在淡水资源日益紧张的当下，海水淡化成为保障淡水供应的重要途径。电容去离子（CDI）作为一种新兴的海水淡化技术，基于在外部直流电压下形成双电层（EDL）或发生氧化还原反应来实现可逆的电化学脱盐过程，备受关注。然而，该技术的核心 —— 电极材料却面临诸多挑战。主流的多孔碳电极存在脱盐容量低、共离子效应明显等问题，限制了 CDI 技术的商业化进程。过渡金属（TM）氧化物（TMO）电极虽具有较高的脱盐容量和离子选择性，能在高离子强度流体中降低离子迁移阻力、减少能耗，但其在实际应用中会出现体积膨胀，缩短循环寿命，且离子扩散和电子传导速率低，导致反应动力学缓慢，难以满足设备应用需求。同时，传统晶格氧 - 金属配置激活氧（
O2p）氧化还原反应需要高电压（
>4V），易造成晶格氧损失，这也极大地限制了低电压驱动的电化学设备，如 CDI 系统的发展。因此，开发一种全新的、能在低电压下有效激活氧氧化还原反应的高性能 CDI 材料迫在眉睫。
为了攻克这些难题，宁夏大学的研究人员联合国内外多所科研机构开展了深入研究。他们通过构建V2O5/V2CO2p异质结构，提出了异质晶格氧介导的氧化还原机制，成功在<2V的电压下激活了O2p氧化还原反应，制备出具有富钠存储特性的高效 CDI 电极材料，相关成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是采用密度泛函理论（DFT）计算，从理论层面分析材料的电子结构、电荷分布等，揭示材料的性能机制；二是运用多种材料表征技术，如 X 射线衍射（XRD）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等，对材料的结构、形貌、元素组成及化学状态进行深入分析；三是利用电化学工作站进行电化学性能测试，包括循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）、电化学阻抗谱（EIS）等，评估材料的电化学性能。
研究结果如下：
- V2O5/V2CO2p异质结构的设计与合成：通过 DFT 计算，研究人员发现局部富钠环境能诱导O2p电子态变化，为电子转移提供额外途径。基于此，他们设计了一种通过插层剂诱导的原位合成方法，以V2CFx为前驱体，经氧化亲核反应引入异质晶格氧，构建了V2O5/V2CO2p异质结构。实验结果表明，适量的四甲基氢氧化铵（TMAOH）浓度对形成稳定的V2O5/V2CO2p异质结构至关重要，其结构和形貌特征得到了 XRD、SEM 等表征技术的证实。
- V2O5/V2CO2p异质结构的表征：HRTEM 和 STEM 图像显示，V2O5/V2CO2p纳米颗粒紧密连接，形成纳米片状结构，且晶格条纹表明V2O5在V2CO2p上原位生长。XANES 和 XPS 光谱证明了O2p的存在，EPR 检测到材料中存在大量氧空位，这些氧空位有助于增强Na+吸附，提高反应动力学。DFT 计算还揭示了不同终端官能团与Na+的相互作用，表明Na+与 -O 终端官能团的亲和力更强。
- 电化学性能：CV 曲线显示，V2O5/V2CO2p电极在1.0mVs?1的扫描速率下表现出一对可逆的氧化还原特征峰，且与商业V2O5和退火后的V2CFx电极相比，具有更窄的氧化还原电位差、更高的电流密度和更低的电阻，展现出优异的可逆性。从 CV 曲线和 GCD 曲线计算得到的比电容表明，V2O5/V2CO2p电极在各扫描速率和电流密度下均具有最高的比电容。EIS 光谱显示，V2O5/V2CO2p电极的RS和Rct最小，电导率最高。通过对电容控制和扩散控制对容量贡献的定量分析发现，V2O5/V2CO2p电极的电化学过程由电容反应和扩散反应协同决定，且随着扫描速率增加，电容贡献比例逐渐增大。
- CDI 性能评估：在间歇循环系统中进行的脱盐实验表明，V2O5/V2CO2p // 活性炭（AC）CDI 系统在不同电压下均能有效降低 NaCl 溶液的电导率和电流。随着电压升高，该系统的脱盐容量和脱盐速率逐渐增加，在1.4V时达到最大脱盐容量185.8mgg?1，在1.2V时获得最高脱盐速率4.9mgg?1min?1，且在初始盐化阶段具有超高的盐化速率5.8mgg?1min?1。此外，该系统在不同盐溶液中对Na+的去除能力最强，具有较高的水回收率（WR）和较低的体积能耗（Ev），循环稳定性良好，经 50 次循环后脱盐容量仍保持在 75.5%，远高于商业V2O5 // AC 系统。
- V2O5/V2CO2p异质结构优异 CDI 性能的机制洞察：XRD 分析表明，在充放电过程中，V2O5/V2CO2p异质结构会形成富钠的Na4V2O7/V2CO2p异质结构，且该结构在充放电过程中具有良好的可逆性。HRTEM 图像显示，大量Na+离子的插入导致晶格间距增大。XPS 光谱揭示了在充放电过程中，O22?、V 和 N 的特征峰发生可逆变化，表明它们在Na+存储和传输过程中发挥重要作用。DFT 计算进一步证实了Na4V2O7/V2CO2p异质结构界面上Na+的强吸附作用，以及O2p态对钠化动力学的积极贡献。
综上所述，研究人员成功制备了具有富钠存储特性的V2O5/V2CO2p异质结构，作为高效的 CDI 电极材料。该材料在低电压下实现了异质晶格氧介导的氧化还原反应，展现出优异的脱盐性能和循环稳定性。这项研究不仅为制备高性能的 CDI 电极材料提供了新的策略，也为层状富钠金属氧化物电极在能源存储和海水淡化领域的应用开辟了新的道路，有望推动 CDI 技术的商业化进程，为解决全球淡水资源短缺问题提供有力支持。
