《Desalination》：Paired faradaic cation-anion storage for high-capacity electrochemical deionization
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摘要电化学去离子是一种有前景的低压海水及咸水处理方法，但在单个法拉第电极上具有高离子储存容量并不一定能转化为全电池高的脱盐性能。在传统的混合电容去离子（HCDI）中，法拉第电极通常与非法拉第碳对电极配对使用，这导致了离子储存响应的不对称性，限制了全电池的利用率。在这里，我们构建了
摘要
电化学去离子是一种有前景的低压海水及咸水处理方法，但在单个法拉第电极上具有高离子储存容量并不一定能转化为全电池高的脱盐性能。在传统的混合电容去离子（HCDI）中，法拉第电极通常与非法拉第碳对电极配对使用，这导致了离子储存响应的不对称性，限制了全电池的利用率。在这里，我们构建了一种无膜的双法拉第电化学去离子（DEDI）电池，分别使用自支撑的MoS2/NF和NiCoAl-LTH/NF作为阳极和阴极响应电极。在三种测试的电池配置中，流式操作产生了最高的脱盐性能。在1.8?V、1.0?g?L?1 NaCl条件下，DEDI电池的盐吸附容量达到了148.19?mg?g?1，盐吸附速率为4.84?mg?g?1?min?1；而在3.0?g?L?1 NaCl条件下，容量增加到304.02?mg?g?1。在1.8?V时，全脱盐阶段的比能耗为0.55 kWh kg?1 NaCl。与对照组相比，双法拉第配置显示出更强的盐去除效果。在1.2?V的脱盐步骤下，经过36次吸附-脱附循环后，电池仍保留了93.9%的初始盐吸附容量。态依赖性XPS分析进一步提供了证据，证明MoS2/NF表面具有Na+的吸附/释放能力，而NiCoAl-LTH/NF表面具有与氯离子相关的吸附/释放能力。这些结果表明，全电池的脱盐性能取决于电极配对、电池配置和操作条件，为无膜电化学去离子提供了一种系统级策略。
引言
淡水资源的短缺、海水入侵以及咸水工业废水的排放增加，都加剧了对高效、模块化且能适应不同水质的脱盐技术的需求[1]、[2]、[3]。电化学去离子因其能直接将电能转化为电极界面处的离子传输和储存而具有处理微咸水、进行分散式净化和部分除盐的潜力[4]、[5]、[6]。在传统的电容去离子（CDI）中，离子主要通过多孔碳上的双电层吸附来储存，这受到碳电极可用表面积和孔隙利用率的限制[7]。混合电容去离子（HCDI）通过引入法拉第电极来克服这一限制，使得离子可以通过氧化还原、插层或离子交换反应来储存，从而扩展了离子储存容量[8]、[9]、[10]。
该领域的一个关键挑战是，单个电极的高离子储存容量并不一定能转化为全电池的高脱盐性能。在许多HCDI系统中，法拉第电极仍然与非法拉第碳对电极配对使用。这两种电极在储存机制、可逆电荷响应、离子选择性和反应动力学方面存在差异[11]、[12]。因此，响应较低的电极性能可能会限制另一个电极的利用率，特别是在高盐负载、快速操作或长时间电压输入的情况下。这种法拉第电极与双电层电极之间的不对称性会降低电荷利用率，增加极化，限制全电池的实际性能。因此，核心问题不再是如何设计高容量电极，而是如何在完整的电化学去离子电池中协调阳极和阴极的储存过程。
双法拉第去离子通过允许两个电极直接参与盐的去除，为解决这一全电池限制提供了有希望的途径[13]、[14]、[15]、[16]。在这种配置中，阴极通过法拉第过程储存阳离子，而阳极通过互补的氧化还原、插层或离子交换途径储存阴离子。然而，仅仅用法拉第材料替换两个碳电极是不够的。全电池的性能还取决于这两种离子储存反应是否能在流动水条件下有效利用[17]。最近关于氧化还原辅助流动电极电容去离子的研究进一步表明，电池性能受操作条件和流动特性的显著影响[18]。离子向活性界面的传递、进料溶液与电极表面之间的水力接触以及离子在电极附近的停留时间，都会影响法拉第储存容量转化为实际脱盐性能的程度[7]、[16]、[19]。因此，一个未解决的问题是如何将法拉第阳离子-阴离子储存与电池级质量传递和流场设计结合起来。
在这里，我们通过将自支撑的MoS2/NF阴极与NiCoAl-LTH/NF阳极配对，构建了一种无膜的双法拉第电化学去离子系统。MoS2/NF提供了可逆的Na+响应电极性能，而NiCoAl-LTH/NF则基于其已建立的氯离子储存行为，作为阴离子响应电极[20]、[21]。这两种活性相直接生长在多孔镍泡沫上，形成了无粘合剂的电极，具有开放的离子传输通道和连续的电子接触。本研究重点探讨了这两种法拉第电极的配对方式、电池配置以及操作条件如何影响全电池的脱盐性能。系统地研究了MoS2/NF阴极的电化学行为、流动配置的影响、进料盐度、电池电压以及脱盐和再生过程中的界面变化。因此，该研究评估了电极配对、电池配置、盐度和施加电压如何共同影响全电池的脱盐性能。
章节摘录
化学物质和材料
九水合硝酸铝（Al(NO3)3·9H2O）、六水合硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）、六水合硝酸镍（Ni(NO3)2·6H2O）、尿素（CO(NH2)2、二水合钼酸钠（Na2MoO4·2H2）、硫脲（CH4N2S）、氯化钠（NaCl）、盐酸（HCl）、无水乙醇和丙酮均为分析级试剂，按原样使用。镍泡沫（NF，厚度2.0?mm，孔隙率约为95%）购自昆山广嘉源新材料有限公司。使用去离子水
配对法拉第电极的构造和结构特征
图1a展示了配对法拉第去离子的概念。在这种配置中，MoS2/NF作为Na+的储存电极，而NiCoAl-LTH/NF作为Cl?的储存电极。在充电过程中，Na+向MoS2/NF阴极迁移并通过表面或近表面的法拉第过程储存；而Cl?向NiCoAl-LTH/NF阳极迁移并储存在层状氢氧化物结构中。在放电过程中，储存的离子被释放回
结论
在本研究中，通过将自支撑的MoS2/NF和NiCoAl-LTH/NF电极作为全电池的阳极和阴极响应组件，构建了一种无膜的双法拉第电化学去离子系统。直接生长在多孔镍泡沫上的无粘合剂活性相提供了可访问的电极/电解质界面和连续的电气接触。在三种测试的电池配置中，流式操作产生了最高的脱盐效果
致谢
国家自然科学基金（项目编号22578092和22278106）的支持。
Qi-He Si|Ya-Qi Jiang|Chun-Miao Zhang|Yun-Ze Qiu|Qing Li|Xue-Fei Sun
