基于nFe0@GC/MXene异质结构电极的磁场增强电容去离子技术

《Desalination》：Magnetic field-enhanced capacitive deionization with nFe0@GC/MXene heterostructure-based electrodes

电容去离子电极通过溶剂蒸发自组装和化学活化制备nFe0@GC/MXene异质结构，磁场调控下盐吸附容量提升28%至49.7 mg·g?1，循环40次后容量保持率达89%。磁场促进离子传输并增强界面电化学行为。

　　

东营徐|郑龙刘|新华齐

南开大学环境科学与工程学院，中国天津市津南区同燕路38号，300350

摘要

阻碍电容去离子（CDI）技术进步的主要挑战包括电极材料的脱盐能力、吸附速率和循环稳定性，而通过外部场进行调控则提供了一种有希望的方法。在本研究中，利用外部磁场来调节CDI的性能。通过溶剂蒸发诱导的自组装和化学活化策略，制备了一种磁性异质结电极nFe⁰@GC/MXene，其中木质素衍生的类石墨烯碳（GC）、原位生成的纳米零价铁（nFe⁰）和Ti?C?T?-MXene被整合到单一异质结构中。材料表征证实了该异质结的成功构建，其具有典型的琼脂状纳米片形态，并且在界面处形成了TiO₂相。制备的电极在外部磁场的作用下，去离子效率和长期稳定性均得到了提高：其盐吸附容量（SAC）增加了28%，达到49.7 mg·g^?1，盐吸附速率（SAR）约为5.0 mg·g^?1·min^?1。经过40次连续循环后，容量保持率达到了89%，比非磁性对照组提高了10%。这些提升归因于磁场促进的离子传输和增强的界面电化学行为。这项工作不仅开发了一种基于磁性MXene的异质结构的绿色合成路线，还为CDI技术中外场调控的实际应用提供了一种新策略。

引言

节能海水淡化技术是构建可持续社会和实现联合国可持续发展目标的关键环节[1]。电容去离子（CDI）是一种能耗低、电激活的淡化方法。由于其简单功能、基础设施的可扩展性和无二次污染物的特点，这项技术受到了广泛关注[2]、[3]、[4]。该方法利用相对较低的外部电压（通常约为2 V或更低）来淡化海水，从而有助于在电极与溶液边界形成的电双层（EDL）中积累盐离子[5]。然而，传统的碳基CDI电极的盐吸附容量通常只有5–15 mg·g^?1

法拉第电极通过离子插层反应或氧化的赝电容机制储存电荷[7]。通过结构优化，一些碳基电极的盐吸附容量超过了20 mg·g^?1[8]。例如，曹等人报道了一种基于钴苯并咪唑框架的碳材料，在模拟海水中表现出优异的淡化性能[9]。唐等人开发了具有分层中空纳米结构的空心介孔碳球/MOFs纳米复合材料，在CDI应用中的盐吸附容量达到了37.82 mg·g^?1[10]。同样，苏等人证明掺杂稀土的Ni-MOF衍生碳材料可以优化电子结构并增强电催化活性，进一步扩展了MOF衍生碳在电化学系统中的应用范围[11]。利用MXenes的CDI装置属于法拉第电极的一种，有潜力克服传统碳材料的局限性，特别是在脱盐效率和吸附速率方面[12]、[13]。目前，CDI系统中使用了多种法拉第材料，包括过渡金属氮化物和碳化物（称为MXenes）[14]、过渡金属氧化物以及氧化还原活性导电聚合物（如聚吡咯和聚苯胺）及其相应的复合材料[15]和普鲁士蓝类似物（PBAs）[15]。由于其优异的电导率和显著的比电容，MXenes（一类具有二维结构的层状过渡金属氮化物或碳化物）作为离子插层的理想基质[16]、[17]。值得注意的是，经过优化的Ti?C? MXene电极的脱盐容量超过了50 mg·g^?1[18]。特别是基于Ti的MXene材料（如Ti?C?T?、Ti?CT?和Ti?CNT?），其表面含有-O、-F和-OH等官能团，以及它们的良性氧化衍生物，确保了这些材料具有良好的生态兼容性[16]、[19]。在各种MXenes中，Ti?C?T?的研究最为广泛。然而，由于二维MXene片层倾向于聚集和堆叠（这一过程由强范德华力和层间相互作用驱动[17]、[19]，离子储存和传输的效率常常受到影响。此外，当Ti基MXenes用作CDI系统中的阳极时，它们在水介质中的氧化降解倾向对其长期循环稳定性和功能耐久性构成了重大挑战[20]、[21]。

功能化的插层MXene电极旨在实现高效的电容淡化过程。然而，目前大多数研究侧重于通过内部调控来提高插层MXene电极的电容淡化性能，这依赖于精确的电极设计和复杂的材料制备过程。因此，外部磁场提供了一种可行的方法。它以非接触的方式有效调节电极界面过程，而不改变电极本身的结构，从而进一步提高系统的淡化性能和能源效率。最近的研究表明，通过应用外部磁场有可能改善流动电极电容去离子（FCDI）。同时，也将磁性成分引入电极材料中以用于CDI的研究也在进行中。例如，刘等人报道了一种Fe,N,S,B共掺杂的分级多孔碳（Fe@CHPC）电极，其盐吸附容量达到了38.6 mg·g^?1[22]。类似地，Fe?O?纳米颗粒也被用于改性淡化电池的阳极，展示了磁性辅助策略的潜力[23]。作为一种非接触式外部调控方法，这种方法通过调节电极界面过程或溶液环境更直接和普遍地提高了淡化性能。例如，徐等人在2022年引入这种方法后，基于磁性活性炭的FCDI系统的淡化性能由于使用了磁场而显著提高了205%[24]。此外，通过改变磁阵列的配置来控制磁场的施加方式，可以使FCDI的淡化速率提高超过120%[25]。外部磁场改善FCDI的主要机制在于它能够将磁性颗粒集中在流动电极中，从而降低这些颗粒之间的电子传输空间障碍。这表明外部磁场的使用方式以及磁源的精心放置可以大大增强FCDI过程，从而证实了使用外部磁场辅助FCDI的可行性。与FCDI相比，固定电极CDI在实际应用中更为常见，而应用外部磁场进行增强也可能是一种有效的策略。目前，大多数关于磁性辅助CDI的研究都集中在流动电极系统（FCDI）上。固定电极CDI在实际应用中更为实用，但受到的关注较少。此外，以往研究中使用的磁场强度相对较高，可能会限制能源效率和实用性。此外，洛伦兹力可以调节溶液中Na⁺和Cl^?等离子的移动模式，从而增强盐离子的去除效果。使用垂直磁阵列（330 mT）时，尽管观察到了临界磁场强度，CDI性能仍提高了25.2%[26]。

在本研究中，通过溶剂蒸发诱导的自组装方法，并结合使用KHCO₃作为碳源、Pluronic F127作为软模板剂和Fe(NO?)?·9H?O作为交联剂，合成了磁性类石墨烯碳/Ti₃C₂T_x MXene异质结构（GC/MXene）。该系统研究了设计合理的磁性响应电极是否能够在相对较低的磁场强度下实现更好的淡化性能。

部分摘要

试剂化学品

本研究中使用的核桃壳来自天津市蓟县，使用前被研磨成60目的粉末。核桃壳衍生的木质素通过乙醇提取获得，随后作为材料制备的碳源。提取方法与我们团队已发表的工作中的描述一致[27]。本研究中使用的Ti?C?-MXene来自11 Technology有限公司，而分析级丙酮（99.5%）和乙醇（99.9%）也用于实验。

nFe⁰@GC/MXene的表征

通过SEM和TEM技术对合成的磁性nFe⁰@GC/MXene和非磁性GC/MXene样品的形态和微观结构进行了表征。与GC/MXene的木耳状纳米片类似（图2a），nFe⁰@GC/MXene显示出三维多孔结构的纳米片（图2b）。TEM显微图显示nFe⁰@GC/MXene和GC/MXene都具有类似的超薄类石墨烯结构（图2d–e）。nFe⁰@GC/MXene的SEM映射结果（图2c）表明

结论

在本研究中，通过将木质素、Fe³⁺和F127前驱体在MXene上组装，并进行可控的化学活化，制备了nFe⁰@GC/MXene异质结。这一过程同时生成了GC层和原位还原的nFe⁰，得到了结构稳定的复合材料，该复合材料具有优异的磁响应特性（饱和磁化强度为12.7 emu·g^?1）。nFe⁰@GC/MXene电极表现出增强的淡化性能。在最佳条件下（1.2 V，20

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（南开大学（编号：63261156）的财政支持。