用于电容去离子的银基转化型电极：材料设计、性能优化与实际应用

《Desalination》：Silver-based conversion-type electrodes for capacitive deionization: Material design, performance optimization, and practical applications

　　

• •
  综述了用于CDI中选择性氯离子捕获的银基转化电极。
• •
  三大设计支柱：传输网络、限域-锚定、功能协同。
• •
  基于银质量归一化的基准测试揭示了已报道电极间的利用率差距。
• •
  概述了银的成本、溶解以及器件放大等未来研究方向。

引言

淡水短缺已成为21世纪最紧迫的全球性挑战之一，随着人口增长、工业化和气候变化，对清洁水的需求持续上升[1]。在此背景下，海水和苦咸水淡化是增加淡水供应的一条有前景的策略[2]，[3]。在迄今开发的各种淡化技术中，电容去离子（CDI）作为一种新兴的电化学水处理技术，吸引了大量研究关注。与传统脱盐方法相比，CDI的核心优势在于其低工作电压、节能的离子去除能力以及无需化学添加剂的电极再生过程[4]。

最初，CDI建立在多孔碳电极的基础上，通过双电层（EDL）吸附去除盐离子，其运行方式类似于超级电容器[5]，[6]。虽然操作简单，但这种方法本质上受限于低脱盐容量和无法区分不同离子物种的能力[7]，[8]。为了克服这些限制，研究人员越来越多地转向法拉第电极材料，将主要的离子存储机制从物理EDL吸附转变为基于电极晶体结构的法拉第氧化还原反应[9]，[10]。这一转变绕过了容量和离子选择性的根本瓶颈，催生了法拉第电容去离子（FDI），也称为电化学去离子（EDI）[11]。过去十年中，法拉第阳离子捕获电极取得了显著进展——特别是钠离子和锂离子嵌入/宿主材料——在若干优化系统中，钠离子去除容量现已接近甚至超过100 mg g^?1[12]，[13]。

然而，正如Web of Science核心合集（图1）的发表统计所揭示的，过去十年中关于CDI阴极的研究远远超过了阳极。鉴于阳极是氯离子捕获的主要场所，这种差异反映了阴离子存储电极材料的相对欠发达状况[14]，[15]，[16]。这种稀缺性归因于几个因素：合适材料的匮乏、阳极极化下的苛刻反应条件，以及历史上对氯离子捕获电极在决定整体脱盐性能中关键作用的低估[17]，[18]。

在有限的氯离子捕获候选材料中，银（Ag）基材料已成为特别有前景的转化型电极，利用金属银与氯化银（AgCl）之间的可逆电化学转化实现高效且高选择性的氯离子存储[19]。这种法拉第转化反应表现出电池型电荷存储行为，对氯离子具有250 mAh g^?1的高理论容量，并且对Cl^?相较于其他常见阴离子具有接近1的选择性[20]。这些特性推动了针对CDI应用中银基电极设计和优化的深入研究[21]，[22]，[23]，[24]。转化机制的关键原理涉及在脱盐步骤（氯离子捕获）中Ag电化学氧化为AgCl，以及在再生步骤（氯离子释放）中AgCl还原回金属Ag[25]，[26]，[27]。然而，在实际CDI器件中实施Ag/AgCl氧化还原化学——特别是当活性材料在纳米尺度上工程设计时——产生了若干关键技术挑战，这些挑战已成为制约脱盐性能上限和此类系统长期运行稳定性的主要瓶颈[28]。

尽管有这些优势，Ag基CDI电极仍面临若干限制其实际应用的内在挑战（图2）。缓慢的固态转化动力学以及在氯离子捕获过程中形成的导电性差的AgCl（带隙约3.25 eV）阻碍了电荷转移过程，特别是在高倍率运行条件下[29]。此外，Ag到AgCl的转化涉及约150%的显著摩尔体积膨胀[30]，这会引发机械应力，并可能导致反复循环过程中的颗粒开裂、粉化和结构退化。此外，Ag物种的溶解和迁移可能导致不可逆的活性位点损失。除了结构不稳定性之外，单一的Ag/AgCl转化机制主要实现氯离子捕获，限制了其在含有多种污染物的复杂水环境中的适用性[31]。

为了解决这些相互交织的挑战，研究人员在过去十年中开发了一系列合理的材料设计策略[32]，[33]。这些策略大致可分为三类协同类别：（i）通过Ag与高导电碳基质杂化以及三维有序多孔结构的工程化，构建连续的电子和离子传输网络；（ii）实施物理限域（例如碳纳米笼封装、MXene层间限域）和/或化学锚定（例如MOF配位、界面化学键合），以在结构和化学上稳定Ag活性物种，抵御上述降解机制；以及（iii）通过将电池型Ag/AgCl转化与赝电容或EDL型电荷存储相结合，在异质结界面构建内建电场，并开发将脱盐与消毒或污染物降解耦合的多功能电极系统，实现多机制功能协同[34]，[35]，[36]。

尽管已有一些优秀的综述讨论了CDI电极材料和法拉第去离子技术，但大多数仅将银基电极作为广泛材料候选中的一例简要提及[37]。缺乏一个全面且系统整合的、专门聚焦银基转化型氯离子捕获电极的论述——涵盖基础电化学、材料设计策略和实际器件考量[38]，[39]。迫切需要这样的综述，以将材料设计原则与所得脱盐性能相关联，总结高性能银基电极的合理优化策略，并讨论这类有前景材料的当前局限性和未来发展方向[40]，[41]。

本综述总结了CDI中银基转化电极的最新进展，重点关注基本的Ag/AgCl转化化学、决定电极性能的关键因素以及材料工程的最新进展[42]，[43]，[44]。讨论了与反应动力学、结构稳定性和实际适用性相关的主要挑战，随后介绍了改善脱盐性能的代表性策略。最后，强调了当前局限性以及迈向实用氯离子捕获CDI系统的未来展望[45]，[46]，[47]。

章节摘要

Ag/AgCl氧化还原化学

金属银与氯化银之间的电化学转化反应构成了CDI中银基氯离子捕获的基础。在脱盐（充电）步骤中，金属Ag在氯离子存在下被电化学氧化形成AgCl，总反应表示为：Ag + Cl^? ? AgCl + e^?。

该反应的标准氧化还原电位约为相对于标准氢电极（SHE）+0.22 V，位于

缓慢的电荷和离子传输

银基电极材料的性能从根本上受到若干相互关联的传输限制的制约，这些限制共同限制了可实现的脱盐容量、倍率和能量效率[70]，[71]。在微观层面，Ag到AgCl的固有固态转化动力学相对缓慢，特别是与主导EDL型或赝电容电极的快速表面控制过程相比[72]，[73]，[74]。更关键的是，

材料设计策略

为了克服上述瓶颈，研究人员设计了一系列多样的材料设计策略，可分为三种协同方法：（i）优化电荷和离子传输网络，（ii）实施物理限域和化学锚定以实现结构稳定化，以及（iii）工程化多机制功能协同。这些策略通常联合部署以实现全面的性能提升。

性能概览与基准测试

表1总结了CDI中银基氯离子捕获电极的代表性性能，包括Ag/碳复合材料、MOF衍生结构、MXene辅助系统和异质结构电极。报道的脱盐容量范围很广，从约15到218.5 mg g^?1（以氯离子捕获计），反映了电极结构、银利用效率和反应可达性对氯离子存储性能的显著影响。与原始

结论

总之，过去十年见证了用于电容去离子的银基转化型电极在设计、合成和优化方面的重大进展，这得益于对其高理论容量、卓越的氯离子选择性和独特法拉第电荷存储特性的认识。Ag/AgCl转化反应的基础电化学已被深入阐明，三个关键瓶颈——缓慢的电荷/离子传输、结构

CRediT作者贡献声明

王学政：写作——原稿、概念化。殷航：写作——原稿。华忠：资源。顾欣：可视化。刘存：可视化。毛海飞：软件。盛浩：资源。刘勇：写作——审阅与编辑、写作——原稿、监督、经费获取。袁勋：写作——原稿、可视化、监督。

利益冲突声明

作者声明他们不知道可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（22478210、22371153）以及山东省自然科学基金（ZR2026QB33、ZR2024JQ002）的资助。

王学政|殷航|华忠|顾欣|刘存|毛海飞|盛浩|刘勇|袁勋