蔗糖衍生双功能化碳材料的界面工程在混合电容去离子中实现靶向离子捕获

为解决海水淡化过程中Na+/Cl?选择性吸附不足和电极腐蚀问题，研究人员通过蔗糖衍生多孔活性炭（SBC）的差异化功能化，构建了SBC@MnO2（Na+捕获电极）和SBC@NaxMnO2@PPy1（Cl?捕获电极）的HCDI系统，实现了57.22 mg g?1的高脱盐容量和1.06 mg g?1 s?1的快速脱盐速率，为海水、河水和雨水的净化提供了新策略。

　　

全球淡水资源危机日益严峻，海水淡化技术成为缓解这一问题的关键途径。然而，传统技术如反渗透和电渗析存在高能耗、高成本等瓶颈，而新兴的混合电容去离子（Hybrid Capacitive Deionization, HCDI）技术虽具有节能潜力，却面临电极材料选择性差、残余离子腐蚀电极等挑战。尤其当仅依赖单一Na⁺或Cl^?吸附电极时，未去除的离子会加速电极劣化，导致脱盐效率骤降。

针对这一难题，东华大学的研究团队创新性地利用廉价易得的蔗糖为原料，通过浓硫酸快速脱水、预碳化和高温退火三步法，制备出多孔活性碳（SBC）基底材料。在此基础上，他们设计了差异化功能化策略：在SBC表面原位聚合MnO₂纳米颗粒构建Na⁺捕获电极（SBC@MnO₂），同时通过钠预插层MnO₂结合聚吡咯（PPy）原位聚合制备Cl^?捕获电极（SBC@Na_xMnO₂@PPy₁）。这种"双管齐下"的设计巧妙结合了双电层电容（EDLC）和法拉第赝电容（Pseudocapacitance）的协同效应。

关键技术方法包括：蔗糖的酸催化碳化与KOH活化、MnO₂的原位水热合成、钠离子预插层化学氧化，以及PPy的电化学聚合。研究人员通过海水、河水、雨水三类实际水样验证系统普适性。

材料表征
SEM/TEM显示SBC@MnO₂具有均匀分布的MnO₂纳米颗粒（20-50 nm）和丰富介孔结构，比表面积达621.3 m² g^?1。XPS证实SBC@Na_xMnO₂@PPy₁中Na⁺的成功插层和PPy的掺杂态氮物种（-N⁺-），为Cl^?吸附提供活性位点。

电化学性能
在1 A g^?1电流密度下，SBC@MnO₂的比电容达312 F g^?1，优于纯SBC（198 F g^?1）。EIS测试显示功能化电极电荷转移电阻降低60%，证实界面工程提升离子传输效率。

脱盐性能
在500 mg L^?1 NaCl溶液中，系统实现57.22 mg g^?1的脱盐容量，较传统CDI提升3.2倍。动力学分析显示1.06 mg g^?1 s^?1的脱盐速率，且经100次循环后容量保持率达91.4%。

机理分析
XPS深度剖析揭示：Na⁺通过MnO₂的Mn⁴⁺/Mn³⁺氧化还原反应嵌入晶格，同时EDLC吸附表面Na⁺；Cl^?则通过PPy的-N⁺-基团静电吸引和Na_xMnO₂的层间插层协同捕获。

这项发表于《Journal of Colloid and Interface Science》的研究，首次提出基于生物质碳的双功能电极协同脱盐策略。通过精准调控MnO₂的氧化还原活性和PPy的掺杂态，实现Na⁺/Cl^?同步高效去除，解决了残余离子腐蚀电极的核心难题。实际水样测试表明，该系统对海水（TDS 35 g L^?1）的脱盐率可达68.7%，为HCDI技术走向工程化应用提供了新材料设计范式。