一步法双盐模板合成葡萄糖基多孔碳用于电容去离子高效去除铵离子的研究

研究人员针对废水处理中铵离子(NH4+)去除技术存在的高能耗、二次污染等问题，通过创新性的一步法双盐模板策略（NaCl-K3C6H5O7）制备葡萄糖基多孔碳电极(3G-3N-2?K)，在电容去离子(CDI)中实现27.97?mg?g?1的吸附容量和0.044?mg?g?1?s?1的吸附速率，为废水净化提供绿色解决方案。

　　

随着工农业发展中铵离子(NH₄⁺)的大量排放引发水体富营养化等问题，传统处理技术如离子交换、反渗透等存在高成本、二次污染等缺陷。电容去离子(CDI)技术因其高效节能特性成为研究热点，但碳基电极的低比表面积和孔隙结构缺陷限制了NH₄⁺吸附性能。针对这一难题，来自国内的研究团队创新性地提出"一石二鸟"策略——通过一步法双盐模板合成技术，将葡萄糖与氯化钠-柠檬酸钾复合体系结合，成功制备出具有三维多孔结构的碳材料(3G-3N-XK)，相关成果发表在《Desalination》上。

研究采用球磨混合-高温碳化技术路径，通过同步辐射X射线衍射(XRD)、原位拉曼光谱等技术表征材料结构，结合电化学测试和密度泛函理论(DFT)计算阐明吸附机制。关键创新在于利用NaCl产生介/大孔模板效应，K₃C₆H₅O₇实现化学活化造微孔，二者协同优化孔隙 hierarchy结构。

材料表征显示：3G-3N-2?K样品具有1,248?m²?g^?1的高比表面积和0.087?cm³?g^?1的微孔体积，XPS证实其表面富含羧基等含氧官能团，为NH₄⁺提供吸附位点。

电化学性能测试表明：该材料在1.2?V电压下比电容达210?F?g^?1，电荷转移电阻仅1.8?Ω，优于传统活性炭电极。

CDI性能方面：在200?mg?L^?1?NH₄Cl溶液中，3G-3N-2?K展现出27.97?mg?g^?1的吸附容量（较单一盐模板材料提升76%），吸附动力学符合准二级模型。原位拉曼证实NH₄⁺通过静电作用与表面官能团结合，DFT计算揭示氧掺杂位点对NH₄⁺的吸附能达-2.34?eV。

该研究通过"模板-活化"双功能盐设计策略，为生物质碳材料在CDI领域的应用提供新思路。其意义在于：① 开发出可规模化生产的绿色合成工艺；② 阐明氧掺杂与孔隙协同增强NH₄⁺吸附的机制；③ 为处理含氮废水提供新型电极材料选择。作者团队建议未来可进一步研究材料在实际废水体系中的抗干扰能力，并探索与其他污染物的协同去除效应。