通过新型方法制备的双金属浸渍开心果硬壳活性炭电极，利用电容去离子作用增强Pb2?的电吸附性能

《Diamond and Related Materials》：Enhanced Pb2+ electroadsorption via capacitive deionization using bimetallic impregnated pistachio-hard shell activated carbon electrodes fabricated by novel method

　　

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  未经过煅烧就合成了双金属浸渍活性炭电极。
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  一种新型导电环氧树脂-炭黑涂层提高了电极的导电性。
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  CuCo@AC/G电极对Pb²⁺的去除效率最高，达到了88.77%。
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  CuCo@AC/G电极显示出939.89?F/g的高电容值。
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  Pb²⁺的电吸附遵循伪二级和朗缪尔模型。

引言

由电镀、电池制造、采矿、食品工业和核电站等过程产生的含重金属离子的废水排放被认为是主要的环境问题之一，已经引起了研究人员的广泛关注[1]。铅、镉、铬、铜和汞等重金属离子具有高化学稳定性，并且能够在生物体内积累，使其在水生和陆地环境中持续存在[2]。这些金属可以通过食物链传递给人类和其他生物。接触重金属可能导致急性或慢性中毒、神经系统疾病，甚至增加患癌症和心血管疾病的风险[3]。迄今为止，已经采用了多种方法来去除水溶液中的重金属离子，包括过滤[4]、离子交换[5]、反渗透[6]、混凝-絮凝[7]、吸附[8]和电容去离子[9]。

电吸附是一种环保的物理过程，在电场的作用下，离子或分子被吸附到电极表面。这种现象特别应用于电容去离子（CDI）系统中，用于去除水中的溶解离子[10]。在这些系统中，两个电极直接浸入水溶液中，当在其上施加电压时，会在电极之间产生电场。该电场将离子推向电极表面，从而导致离子被吸附，并使水中的离子浓度降低[11]。最近的进展显著扩展了电容去离子（CDI）的应用范围，超越了传统的双电层离子吸附[12]。由于其低能耗、易于电极再生和环境友好性，电容去离子（CDI）已成为一种高效的水净化电化学技术[13]，[14]。

研究表明，电极的结构工程和表面涂层在其导电性和电容去离子（CDI）系统中的性能中起着关键作用[15]。具体来说，引入大孔并保持与边缘的一定距离可以为电流流动创造更有效的路径，从而降低电阻。相反，完全覆盖电极表面往往会降低导电性[16]。将过渡金属浸渍到活性炭上显著提高了其导电性[17]。然而，在高温（500?°C）下进行煅烧会改变电极的结构和表面性质，导致导电性降低[18]。未经煅烧直接浸渍和干燥的电极表现出最低的电阻，而未经浸渍或经过煅烧的样品则表现较差。因此，合成低结晶度的金属纳米氧化物并避免高温煅烧被认为是保持导电性和提高电极性能的有效策略。

使用活性炭布/石墨烯氧化物（ACC/GO）复合电极进行了吸附机理的研究，采用了动力学研究、传质分析和各种表面表征方法。结果显示，当施加电压从0升至1.2?V时，Sr²⁺的去除效率从38.11%显著提高到41.45%。根据传质模型分析，Sr²⁺离子向活性位点的迁移是限速步骤。实验中的进水流速保持在10?mL/min。此外，对圆形CDI通道进行的计算流体动力学（CFD）分析表明，提高流速可以有效减少系统内的停滞区域[19]。

还使用活性炭评估了通过电容去离子（CDI）技术去除钒离子的效果。在不同电压和流速下研究了CDI系统的性能，发现当施加电压为1.2?V、流速为40?mL/min时，钒离子的去除效率达到约70%[20]。

根据已发表的研究结果，最佳的离子吸附电压为1.2?V。在他们的实验中，一组电极浸入电导率为100 μS cm^?1的1?L NaCl溶液中，在1.1?V的电压下实现了95%的离子去除效率。此外，对于使用时间较长的电极，脱盐效率略有下降，为85%[21]。

因此，开发能够实现高Pb²⁺去除效率同时保持稳定性和快速离子传输的先进CDI电极仍然是一个重要的研究重点。在这项工作中，我们制备了浸渍了钴（Co）、铜（Cu）和镍（Ni）等过渡金属的开心果活性炭电极，以提高其电化学活性和表面功能。此外，系统地研究了动力学和等温模型，以更好地了解它们对离子电吸附性能的影响。本研究旨在为设计改进的CDI电极材料提供基础 insights，从而有效去除受污染水溶液中的有毒重金属（如铅）。

章节片段

电极合成

开心果硬壳制成的活性炭在850?°C下用水蒸气物理活化，随后通过沉淀-浸渍法使用1.1?g的金属硝酸盐六水合物前体（Cu、Ni或Co）在NaOH存在下进行改性。该过程在60?°C的水浴中连续搅拌6?h后完成。所得产物经过真空过滤并彻底处理

电极表征

记录了CuCo@AC/G、CoNi@AC/G和CuNi@AC/G三种电极的X射线衍射（XRD）结果，衍射范围为10°–80°，并用Xpert-High Score软件（V.1）进行分析。所有衍射图谱都显示出两种主要相：非晶态和晶态，如图6所示。晶态峰主要归因于过渡金属氧化物化合物和石墨平面（2θ?=?25.57°和54.05°）[25]，与ICDD参考文献（00–002-0456）一致。

结论

在本研究中，成功地合成了双金属过渡金属浸渍活性炭电极，并使用电容去离子（CDI）系统评估了其对Pb²⁺的电吸附去除效果。结构和表面表征分析证实了这种合成方法的有效性。XRD图谱验证了低结晶度CuO、CoO、NiO和CuCoO?相的形成，同时保持了非晶态结构

CRediT作者贡献声明

Mehrangiz dolatabadi: 验证、方法论、研究、数据管理、概念化。Mohammad Zabihi: 写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、验证、监督、软件、方法论、研究、概念化。Morteza Faghihi: 方法论、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢伊朗塔布里兹萨汉德大学环境工程研究中心的协助。

Mehrangiz dolatabadi|Mohammad Zabihi|Morteza Faghihi