三维大孔Ti3C2Tx锚定非晶FePO4实现高效电容去离子及钠离子选择性吸附

针对法拉第电容去离子(CDI)技术中盐吸附容量低、钠离子(Na+)选择性差的问题，研究人员开发了三维大孔Ti3C2Tx负载非晶磷酸铁(FePO4)的新型电极材料。该材料通过构建Na+捕获位点和快速离子传输通道，使CDI装置在500 mg/L NaCl溶液中获得65 mg/g的脱盐容量，Na+/Al3+选择性分离因子达6.3，为海水淡化提供了新思路。

　　

随着全球水资源危机加剧，如何高效处理低盐度淡化水成为可持续发展的重要课题。传统电容去离子技术(CDI)依赖多孔碳材料的双电层吸附，脱盐容量仅10-20 mg/g，且存在共离子排斥效应。虽然法拉第CDI利用氧化还原活性材料可实现更高容量，但晶体电极导电性差、结构不稳定等问题制约了其应用。MXene材料Ti₃C₂T_x虽展现出53.11 mg/g的优异脱盐性能，但纳米片易堆叠的特性阻碍了离子传输。与此同时，非晶态磷酸铁(FePO₄)因其各向同性的缺陷结构和丰富Na⁺存储位点在钠电领域表现突出，但其低导电性限制了在CDI中的应用。

为解决这些关键问题，国内研究人员通过将非晶FePO₄锚定在三维大孔Ti₃C₂T_x网络上，开发出新型3D FePO₄@Ti₃C₂T_x复合电极。该研究采用聚苯乙烯微球模板法制备具有500 nm-2 μm孔径的3D Ti₃C₂T_x骨架，通过静电吸附负载FePO₄纳米颗粒，并利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)等技术表征材料结构。电化学测试表明，该复合电极在保持Ti₃C₂T_x高导电性的同时，实现了Na⁺的快速嵌入脱出。

材料表征结果显示，3D FePO₄@Ti₃C₂T_x具有12.4 m²/g的比表面积和0.34 nm的层间距扩大，zeta电位测试证实FePO₄与Ti₃C₂T_x通过表面羟基形成稳定结合。电化学性能方面，组装的FePO₄@Ti₃C₂T_x//活性炭(AC)不对称CDI器件在500 mg/L NaCl溶液中展现出65 mg/g的脱盐容量，远超二维Ti₃C₂T_x(28 mg/g)和纯FePO₄(7 mg/g)电极。机理研究通过180次循环后电极的X射线光电子能谱(XPS)分析，证实Na⁺通过FePO₄的P-O-Fe键合路径实现可逆嵌入。选择性实验表明，在Na⁺/Al³⁺混合溶液中，该器件分离因子达6.3，这归因于FePO₄对Na⁺的特异性捕获和3D通道的尺寸筛分效应。

该研究通过构建"离子捕获位点+快速传输通道"的协同体系，同时解决了法拉第CDI材料导电性差和离子选择性低的难题。3D FePO₄@Ti₃C₂T_x电极不仅能驱动LED屏幕工作，其6.3的Na⁺/Al³⁺分离因子更为海水资源化提供了新策略。这种将电池材料设计理念引入CDI领域的方法，为开发高性能脱盐材料开辟了新途径。