《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Functional transition metal composite oxides modified carbon felts as asymmetric CDI electrodes for salty water desalination
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•所制备的 MnCo?O?@CF 和 Na?V?O?@CF 电极分别对氯离子和钠离子表现出专一性的选择性吸附。•在优化的操作条件下，不对称 CDI 系统展现出 97.7 毫克/克（97.7 mg g?1）的出色脱盐容量。•离子富集引发的活性位点钝化是该 C
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所制备的 MnCo?O?@CF 和 Na?V?O?@CF 电极分别对氯离子和钠离子表现出专一性的选择性吸附。
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在优化的操作条件下，不对称 CDI 系统展现出 97.7 毫克/克（97.7 mg g?1）的出色脱盐容量。
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离子富集引发的活性位点钝化是该 CDI 系统循环过程中容量衰减的根本原因。
引言
全球淡水资源的短缺是一项紧迫的生态与社会挑战，制约着社会经济的可持续发展。海水淡化是缓解这一危机的一种可行途径，但传统方法如热蒸馏和反渗透存在诸多弊端：能耗高、设备昂贵、膜污染以及二次污染风险，这些都阻碍了其大规模低碳应用[1]。电容去离子（CDI）技术作为一种基于电双层电容和法拉第反应的、具有前景的低能耗、环境友好型电化学脱盐技术应运而生[2]。CDI 通过在电极表面可逆地吸附和解吸盐离子来去除水中的盐分，具有工作电压低、设备结构简单以及无需化学试剂等优势[3]。随着人们对高效节能脱盐技术的关注度不断提升，CDI 已成为水处理领域的研究热点，在苦咸水处理和低盐度海水淡化方面展现出巨大的应用潜力[4]。
电极材料是决定 CDI 脱盐性能的核心要素，电极材料的优化与创新始终是 CDI 技术的关键研究方向[5], [6]。近年来，CDI 电极研究主要集中在碳基材料、金属基化合物及其复合材料上[7], [8]。传统纯碳材料（活性炭、碳纳米管、石墨烯）具有高比表面积和优异的导电性，但其脱盐容量受限于单一电双层吸附机理，且在长期运行过程中容易出现离子共吸附和电极腐蚀问题[9], [10]。以过渡金属化合物为代表的金属基电极可通过可逆的法拉第氧化还原反应实现高容量离子存储，有效弥补了纯碳电极吸附容量低的缺陷[11], [12]。然而，单一金属化合物电极通常存在导电性差、易团聚以及循环结构不稳定等问题，严重制约了 CDI 设备的整体脱盐效率和使用寿命[13], [14]。过渡金属复合氧化物由于其可调的晶体结构、丰富的氧化还原活性位点以及优异的选择性离子吸附性能，在 CDI 脱盐研究中引起了广泛关注[15], [16]。与单一过渡金属氧化物相比，双金属或多金属复合氧化物能在不同金属离子之间产生协同电化学效应，有效优化电子电导率和离子传输动力学[17], [18]。锰基和钴基复合氧化物已成为该领域的典型代表性材料[19], [20]。它们可以形成稳定的异质界面，暴露出丰富的氯离子吸附活性位点[21]。此外，具有层状晶体结构的钒氧化物对钠离子具有独特的嵌入/脱嵌效应[22], [23]。其层状晶格结构能够提供稳定的离子传输通道，缓冲钠离子嵌入和脱除过程中的体积变化，表现出优异的钠存储性能[24]。相关研究证实，过渡金属复合氧化物在脱盐容量和离子选择性方面远优于单一金属氧化物和传统碳材料，在高效 CDI 脱盐方面展现出巨大的应用前景[25]。
过渡金属氧化物与多孔碳基底的复合改性是优化 CDI 电极综合性能的有效手段，这种复合策略结合了碳材料的结构优势和金属氧化物的电化学功能优势[26], [27]。以碳毡为代表的多孔碳材料具有三维互连网络结构，具备超高比表面积、优异的导电性以及良好的水溶液渗透性[28], [29]。作为电极基底，碳毡不仅能够加速电子传输效率并降低电极内阻，还能有效避免过渡金属氧化物纳米颗粒的团聚，最大限度地暴露出氧化还原活性位点[29], [30]。同时，碳毡的多孔通道结构有利于盐溶液的快速扩散和流通，缩短离子传输路径，提高脱盐反应的动态响应速度[31]。更重要的是，碳基底的化学惰性能够缓冲由反复离子嵌入和氧化还原反应引起的过渡金属氧化物结构损伤，从而显著提高复合电极的循环稳定性[32]。
尽管近年来在过渡金属氧化物/碳复合 CDI 电极研究方面取得了显著进展，但仍存在一些关键问题与不足制约其实际应用[33]。特别是，目前大多数复合电极采用对称结构，无法充分发挥不同功能材料对阳离子和阴离子的差异化吸附特性，导致整体脱盐效率低且离子选择性差[34], [35]。基于上述研究不足和应用需求，本研究以综合性能优异的多孔碳毡为基底，通过在碳毡表面分别原位生长锰钴复合氧化物和钠钒复合氧化物，成功制备了两种功能性复合电极。充分利用碳毡基底高导电性、大比表面积和平滑流体通道的优势，所制备的复合电极能够加速电子和离子传输。同时，将具有特定 Cl? 吸附活性的锰钴复合氧化物与具有高效 Na? 嵌入效应的层状钠钒复合氧化物相匹配，构建了一种新型不对称电极隔板式电容去离子装置。这种独特的结构设计和材料协同效应能够实现对盐溶液中 Na? 和 Cl? 的靶向捕获，有效避免离子反向扩散和电极性能衰减，最终实现盐溶液的高效稳定脱盐。
章节摘要
材料
六水合硝酸钴、四水合硝酸锰和乙二醇购自山东科源生化有限公司。氯化钠购自中国医药集团化学试剂有限公司。氢氧化钠和过氧化氢购自烟台三合化学试剂有限公司。尿素购自天津鼎信信化工有限公司。五氧化二钒购自赛恩化学科技有限公司。
形貌与表面性质表征
了解锰钴复合氧化物的形貌特征对于优化其电化学性能至关重要。不同研究中报道的微观结构差异凸显了合成方法和前驱体材料的影响。例如，Xu 等人[21]合成的 MnCo?O? 粉末呈现出由众多纳米棒组装而成的微球结构，这种结构可以增强比表面积并促进离子传输。相反，Yadav 等人[36]报道了一种片状结构
结论
在本研究中，通过简便的一步水热法制备了 MnCo?O?@CF 和 Na?V?O?@CF 复合电极，其中 MnCo?O? 和 Na?V?O? 均匀生长在碳毡基底上。所组装的带隔膜的不对称 CDI 系统利用了两种法拉第电极固有的离子选择性行为：MnCo?O?@CF 作为阳极优先捕获 Cl?，而 Na?V?O?@CF 作为阴极时选择性摄取 Na?。电化学和动力学分析表明
CRediT 作者贡献声明
苏长跃：研究、数据管理。蒲云龙：方法论、研究、数据管理。尤东江：初稿撰写、形式化分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益关系或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。
尤东江|蒲云龙|苏长跃
