钾钴六氰铁酸盐纳米材料电极在电容去离子技术中实现铷离子的高效选择性回收

本文报道了一种基于钾钴六氰铁酸盐（KCoFC）和沸石咪唑骨架（ZIF）修饰的纳米材料电极，通过电容去离子（CDI）技术实现海水中铷（Rb）的高效选择性回收。研究表明，KCoFC@ZIF-AC电极展现出卓越的Rb吸附容量（103 mg g?1）和选择性（ρNaRb=4.36），其性能提升源于ZIF组分促进的Rb渗透和K-Rb离子交换机制。该电极在真实海水中实现90%的Rb提取率，为战略金属资源回收提供了创新解决方案。

　　

材料设计与表征

研究团队开发了两种创新电极材料：钾钴六氰铁酸盐-活性炭（KCoFC-AC）和ZIF修饰的KCoFC（KCoFC@ZIF-AC）。扫描电镜（SEM）显示KCoFC@ZIF-AC电极表面形成了独特的层级结构，ZIF晶体（2-3 μm）均匀包覆在KCoFC颗粒上。X射线衍射（XRD）证实材料保留了立方晶系结构（2θ=17.5°、24.8°、35.4°），而氮气吸附测试揭示ZIF修饰使比表面积提升3倍至177.15 m² g^?1，平均孔径优化至17.92 nm。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在2075 cm^?1处检测到氰基特征峰，验证了KCoFC的成功合成。

电化学性能解析

循环伏安（CV）和恒电流充放电（GCD）测试表明，虽然复合电极的比电容（65-75 s）低于纯活性炭电极（425 s），但其活化能（E_a=-17.41 kJ mol^?1）显示更强的Rb吸附稳定性。温度依赖的电化学阻抗谱（EIS）显示电荷转移电阻（R_ct）随温度升高而增加，这与传统认知相反，可能源于高温促进的Rb解吸效应。

选择性吸附机制

在混合单价离子溶液（Rb/Na/K）中，KCoFC@ZIF-AC电极展现出惊人的选择性：Rb吸附量达103.17 mg g^?1，而对Na的吸附仅11%。选择性系数ρ_Na^Rb高达4.36，这归因于：

1）KCoFC晶格中的K-Rb离子交换主导吸附过程

2）ZIF的分子筛效应（孔径≈7?）精准匹配Rb水合离子直径（6.58?）

3）MOF孔道促进Rb脱水，加速离子扩散

对比实验显示，单独添加ZIF组分（Zn或HMIM）反而降低性能，证实ZIF晶体结构的协同效应至关重要。

脱附与再生特性

电极在首次脱附中仅释放7-24%的Rb，但经过3次循环后脱附率提升至80%。这种"滞后释放"现象源于：

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  首轮吸附的Rb主要进入KCoFC晶格深处

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  后续循环中表面吸附占比增加

  化学再生实验证实，0.1M KCl溶液可完全恢复电极性能。XRD显示10次循环后材料晶型保持完好（2θ=17.6°峰位移<0.1°），证明结构稳定性。

实际应用验证

在真实海水测试中（Na/Rb=2114:1），KCoFC@ZIF-AC电极实现：

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  Rb提取率≈90%

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  其他主要阳离子（Na/K/Mg/Ca）吸附量<5%

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  五次循环后容量保持率>85%

  这种"分子识别"般的选择性使其在战略金属回收领域展现出巨大潜力，为开发新一代智能分离材料提供了范式。