强耦合ZnO/分级多孔碳复合电极在膜电容去盐中的高效应用研究

针对电容去离子(CDI)电极活性位点不足、导电性差及结构退化等问题，厦门大学团队开发了ZnO修饰三维分级木材活性碳(ZnO@3DAC)电极。该材料通过强界面耦合和丰富氧空位设计，实现51.88 mg g-1的盐吸附容量(SAC)和0.43 mg g-1 min-1的吸附速率，能量消耗仅27.3 Wh m-3，为高性能CDI电极设计提供新思路。

　　

随着全球淡水资源短缺问题日益严峻，电容去离子技术(CDI)因其低能耗优势成为研究热点。然而传统电极材料存在活性位点不足、导电性差和循环稳定性差三大瓶颈，严重制约CDI的实际应用。过渡金属氧化物(TMOs)虽具有优异离子吸附能力，但固有缺陷导致其电化学动力学迟缓。厦门大学研究人员创新性地将氧化锌(ZnO)与三维分级木材活性碳(3DAC)复合，在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究中，通过材料界面工程和结构设计，成功开发出高性能CDI电极。

研究团队采用原位生长技术，以废弃椴木为碳源，通过高温碳化-氯化锌活化两步法构建三维分级多孔骨架，并垂直生长ZnO纳米片。关键实验技术包括：1) 生物质模板法制备3DAC基底；2) ZnCl₂同步活化和锌源负载；3) 第一性原理计算验证电子传输机制；4) 膜电容去离子(MCDI)系统性能测试。

【Morphological and Structural Characterization】
SEM显示ZnO纳米片沿3DAC微通道有序排列，形成3 μm大孔与500 nm微孔共存的分级结构。XRD证实ZnO与碳基底存在强界面耦合，拉曼光谱显示缺陷碳峰强度比(I_D/I_G=1.03)提升电子传导能力。

【Electrochemical Performance】
在1.2 V电压、100 mg L^-1 NaCl溶液中，ZnO-1.5@3DAC电极展现51.88 mg g^-1的SAC，较纯3DAC提升47%。原位电化学阻抗谱(EIS)显示电荷转移电阻降低至12.6 Ω，证实界面耦合促进电子传输。

【Theoretical Investigations】
密度泛函理论(DFT)计算表明，ZnO(002)晶面对Na⁺的吸附能(-2.31 eV)显著高于碳基底，氧空位引入使费米能级附近出现新电子态，协同提升离子吸附和电子传导。

研究结论指出，该工作通过"生物质碳骨架-金属氧化物"强耦合策略，同步解决CDI电极的活性位点、导电性和稳定性难题。ZnO@3DAC的优异性能源于：1) 分级孔道加速离子扩散；2) 界面电子耦合降低电荷转移势垒；3) 氧空位提供额外吸附位点。该设计为开发新一代CDI电极材料提供普适性方法，对推动海水淡化技术实用化具有重要意义。特别值得注意的是，材料在100次循环后仍保持96%容量，且能量消耗仅为传统反渗透技术的1/3，展现出显著的工程应用价值。