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为解决淡水资源短缺及传统海水淡化技术的局限，研究人员开展了生物质衍生氮掺杂多孔碳（NPC）作为流动电极材料用于电容去离子（FCDI）的研究。结果显示 NPC 性能优越，该研究对推进环保、低成本、高性能 FCDI 系统意义重大。
淡水资源，是地球上所有生命赖以生存的 “生命之源”，也是人类社会经济发展的重要基石。然而，随着全球经济的迅猛发展，淡水资源正面临着前所未有的危机。快速增长的工业生产、不断扩张的城市规模，使得淡水消耗急剧增加，水资源被过度开采。与此同时，环境污染、生态退化以及气候变化等问题交织在一起，进一步加剧了淡水短缺的困境。在我国，人均淡水资源量仅约 2200 m3，实际可利用量更是只有 900 m3，还不到全球平均水平的四分之一，淡水危机的警钟在我国敲响得尤为急促。
面对淡水短缺的严峻形势，海水淡化成为了缓解水资源紧张的重要战略方向。传统的海水淡化技术，像多效蒸馏（MED）、多级闪蒸（MSF）蒸馏、反渗透（RO）和电渗析（ED）等，虽然在一定程度上发挥了作用，但它们在降低能耗、减轻环境影响以及控制设备维护成本方面，始终面临着巨大的挑战。
电容去离子（CDI）技术凭借低能耗、成本效益高、操作简便和环境可持续等优点，逐渐进入人们的视野，成为海水淡化领域的 “潜力股”。它的原理是在外部电压作用下，在脱盐溶液和电极界面形成双电层，实现盐离子（主要是 Na?和 Cl?）的选择性吸附。然而，传统 CDI 技术依赖固定电极电容器，存在电极吸附容量有限、处理高浓度盐水时能耗高等问题。氮掺杂多孔碳虽被广泛用作基于双电层电容（EDLC）机制的带电离子电吸附电极材料，但在高摩尔浓度盐溶液中，其电吸附容量受共离子干扰影响较大，而且固定电极 CDI 系统需要定期再生，难以实现连续运行。
流动电极电容去离子（FCDI）技术的出现，为解决这些问题带来了新的希望。它将固定电极转变为流动电极，通过碳浆不断为系统提供新鲜的吸附位点，理论上具备无限的离子吸附能力，能实现连续的海水淡化操作，尤其适合高浓度盐水的淡化。近年来，基于碳纳米管（CNTs）、石墨烯和金属有机框架（MOFs）衍生多孔碳的电极材料受到了研究人员的广泛关注。不过，这些材料大多来源于传统化石燃料，大规模生产应用成本高昂，寻找低成本、来源丰富的碳源材料成为 FCDI 领域的关键研究方向。
在此背景下，江苏大学的研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们以富含氮元素的废弃豆壳为原料，通过高温预碳化和二次 KHCO?辅助活化的方法，制备出了一种新型流动电极材料 —— 氮掺杂多孔碳（NPC）。研究结果显示，与传统活性炭（AC）相比，NPC 电极具有更高的比表面积和更复杂的多孔结构，这使得它拥有更优越的比电容和更低的电阻。在脱盐测试中，NPC 流动电极的 FCDI 系统展现出更强的脱盐能力、更快的脱盐速率和更低的能耗。例如，在 2.5 V 电压、6 g?L?1 NaCl 溶液中，NPC 系统的平均脱盐率达到 104.9 μg?cm?2?min?1 ，电荷效率为 94.0%，能耗仅为 4.4 kJ?g?1 。此外，该系统还具有良好的脱盐循环稳定性，经过长时间连续脱盐循环后，能耗和效率仍能保持相对稳定。这项研究成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上，为废弃生物质的高值化利用开辟了新途径，也为开发可持续、环保的 FCDI 电极材料提供了新策略，对推动大规模海水淡化技术的发展意义非凡。
研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先是材料制备技术，将洗净烘干并研磨成粉的豆壳在 N?气氛下，以 5 °C?min?1 的升温速率于 700 °C 处理 2 h，然后与成孔剂 KHCO?按 1:1 质量比均匀混合，再次在 N?气氛下升温至 800 °C 处理 3 h，从而制备出 NPC 材料；其次是材料表征技术，通过扫描电子显微镜（SEM）等手段对 NPC 和 AC 的微观结构进行观察分析。
制备豆壳衍生 NPC
研究人员将豆壳洗净后在 80 °C 烘箱中干燥 12 h，磨成粉末。接着，在 N?气氛下对豆壳粉末进行高温预碳化，以 5 °C?min?1 的加热速率升温至 700 °C 并保持 2 h。之后，将得到的碳材料与成孔剂 KHCO?按 1:1 的质量比均匀混合，再次置于 N?气氛中，加热至 800 °C 并保持 3 h，成功制备出 NPC 材料。通过这一系列操作，利用 KHCO?在高温下分解产生的气体，在碳材料中形成丰富的孔隙结构。
合成和表征 NPC
研究人员以富含氮的豆壳为主要原料制备 NPC 电极材料。从 SEM 图像对比来看，商业 AC 表面粗糙且无明显大孔结构，而在热解过程中加入 KHCO?制备的 NPC 则形成了独特的多孔结构。这表明，KHCO?辅助活化过程对 NPC 的微观结构塑造起到了关键作用，为其优异的电容性能奠定了基础。
结论
研究人员成功开发出由天然豆壳衍生的 NPC 流动电极材料，该材料在脱盐性能方面表现卓越。与传统 AC 相比，NPC 电极的优势显著，更高的比表面积和更复杂的多孔结构，使其在脱盐测试中展现出更强的脱盐能力、更快的脱盐速率和更低的能耗，并且 NPC 基 FCDI 系统具有良好的脱盐循环稳定性。这一研究成果不仅为废弃生物质的资源化利用提供了新的技术路线，还为 FCDI 技术的发展注入了新的活力，推动了环保、低成本、高性能 FCDI 系统向大规模应用迈进。在未来，基于 NPC 材料的 FCDI 技术有望在海水淡化领域发挥更大的作用，缓解全球淡水危机，为人类社会的可持续发展提供有力支持。
