工业水处理, 2021, 41(11): 32-39 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2020-0844

• 专论与综述 •

提升电容去离子效能的电极材料功能化策略

喻舰,1, 胡绅1, 张须媚1, 谢康俊1, 宋海欧2, 张树鹏,1,3

1. 南京理工大学化工学院, 江苏南京 210094

2. 南京师范大学环境学院, 江苏南京 210097

3. 南京大学污染控制与资源化国家重点实验室, 江苏南京 210023

Functionalization strategy of electrode materials to improve the performance of capacitor deionization

YU Jian,1, HU Shen1, ZHANG Xumei1, XIE Kangjun1, SONG Haiou2, ZHANG Shupeng,1,3

1. School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

2. School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China

3. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Nanjing University, Nanjing 210023, China

通讯作者: 张树鹏, 副教授。E-mail: shupeng_2006@126.com

收稿日期: 2021-08-9  

基金资助: 国家自然科学基金.  51408297
国家自然科学基金.  51778281
污染控制与资源化重点实验室基金.  PCRRF19032
污染控制与资源化重点实验室基金.  PCRRF18018
江苏省研究生科研与实践创新计划项目.  KYCX20_0361
南京师范大学基金.  184080H202B146

Received: 2021-08-9  

作者简介 About authors

喻舰(1998-),硕士E-mail:yujian0512@qq.com , E-mail：yujian0512@qq.com

Abstract

Capacitive deionization(CDI) technology has attracted the attention of researchers in the field of seawater desalination due to its advantages of simple operation, high efficiency, and environmental protection. Electrode materials are always a focus of research in CDI field. This article was focused on the enhancement of capacitive deionization(CDI) performance based on the most popular materials such as activated carbon, graphene, molybdenum disulfide, carbon nanotubes and metal-organic frameworks reviewed in the past three years, and the functionalization of electrode materials was the core. Functional materials had made important progresses in construction strategies and electrosorption performance enhancements, and we had compared the pros and cons among the materials in applicable conditions and electrochemical performance. Through in-depth understanding of the structure-activity relation-ship, we summarized the main modification strategy of the reasonable three-dimensional structure of the mesopores, the doping of impurities, the surface modification and hope to further construct a green, excellent performance electro-adsorption electrode material to achieve efficient desalination. Finally, a reasonable prospect was provided for the development and application of capacitive deionization.

Keywords： capacitive deionization ; electrode materials ; functional modification

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本文引用格式

喻舰, 胡绅, 张须媚, 谢康俊, 宋海欧, 张树鹏. 提升电容去离子效能的电极材料功能化策略. 工业水处理[J], 2021, 41(11): 32-39 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0844

YU Jian. Functionalization strategy of electrode materials to improve the performance of capacitor deionization. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(11): 32-39 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0844

经济和工业在飞速发展的同时也引发了水环境污染，水资源紧缺已成为制约各个国家平稳发展的主要因素，甚至人们的生存问题也正因淡水资源匮乏而面临挑战〔1-2〕。目前，海水淡化是缓解淡水资源的重要思路，较为成熟的技术有蒸馏法、离子交换法、电渗析法和反渗透法等。但这些技术普遍存在着成本高、能耗高、污染重、维护频繁等缺点〔3-4〕。

电容去离子（Capacitive deionization，CDI）是一种基于现代电化学双电层电容的电吸附脱盐技术〔5-6〕，具有成本低廉、低污染、低能耗、操作简单和可再生等诸多优势，在硬水软化、海水淡化、重金属盐净化和废水处理等领域拥有广阔的应用前景〔7〕。CDI是通过在电极两端施加一定强度的电压，当待处理液从两极间流过的时候，溶液中的阴阳离子会因静电作用向两极移动而被吸附在多孔电极材料的孔隙中形成双电层以达到脱盐的目的。当两极短接或反接，被吸附的阴阳离子又会从多孔电极材料上脱附下来，重新释放于其他溶液中，实现电极材料的再生〔8〕。CDI技术中，电极材料直接关系到脱盐效果，是提升CDI电吸附性能的研究热点〔9-10〕。

优秀的电极通常需要满足以下条件：（1）有效的高比表面积和多维孔洞结构；（2）良好的导电性；（3）电极表面和电解液接触良好，润湿性良好；（4）环境适应性强（可适应pH、电压等的变化）；（5）循环性能好。目前满足以上几点的可用于CDI的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物三大类。其中，碳材料具有易于修饰、形式多样、性能稳定、成本低廉、环境友好等优点，在CDI领域应用广泛〔9〕。常用的碳材料主要包括活性炭（AC）〔11-13〕、碳气凝胶〔14〕、碳纤维〔15〕、碳纳米管〔16〕和石墨烯〔17〕等。以这些材料为基材，进一步引入高分子、有机分子或金属纳米颗粒等组装复合电极材料成为研究热点〔18〕。笔者总结了近年来国内外以活性炭、石墨烯、类石墨烯二硫化钼、碳纳米管及有机框架等材料为基体的功能化材料在电容去离子领域的研究进展，希望通过分子内、分子间作用力角度分析其创新的修饰策略。

1 复合电极材料及性能

1.1 活性炭复合电极

活性炭（AC）是指由木质、煤质等含碳原材料经热解、活化加工制备而成的具有丰富孔隙结构、较大比表面积的强吸附多孔无定形炭。AC兼顾了CDI电极所需的高比表面积，良好的孔隙结构，还具有化学稳定性强、易于修饰、成本低廉等优点，这也是AC及其复合电极活跃在CDI领域的重要原因。但AC电极润湿性差、导电性差、不恰当的孔径分布等缺陷导致了其较低的脱盐能力。此外，AC不可逆的物理吸附过程，非离子吸附选择性等因素也限制了其在CDI领域更深层次的应用〔19-20〕。

B. H. MIN等〔21〕采用TiO2纳米粒子对AC进行包覆，并用4，5-二羟基-1，3-苯二磺酸二钠对中间体进行有机功能化，使AC表面带有磺酸基官能团。在相同条件下，磺酸基功能化AC电极的盐吸附容量（Salt adsorption capacity，SAC）为10 mg/g，是未修饰AC的1.4倍。磺酸基亲水基团和TiO2的引入加强了AC作为电极材料的润湿性并且有效地降低了离子传输阻力，同时引入的官能团末端带有电荷，静电作用的存在也对脱盐性能的提高具有协同效应。

O. HAQ等〔22〕采用AC和乙二胺共热法，制备了含胺活性炭中间体N-AC，干燥处理后加入磺胺基苯重氮盐溶液进行有机功能化，最终制得磺酸基表面修饰活性炭材料S-AC，实现了在AC上同时修饰氨基（—NH3+）和磺酸基（—SO3-）。随着官能团的引入，S-AC的离子交换容量（Ion-exchange capacity，IEC）达到了13.4 meq/g，说明了材料活性官能团密集存在且具有良好的离子传输效率。此外，润湿性的提高和静电作用的存在都有助于改善S-AC脱盐性能。经测试，在1.0 V、20 mL/min条件下，S-AC电极对500 mg/L NaCl溶液SAC达到14.7 mg/g。

Y. JUNG等〔23〕利用两性离子聚合物（琥珀酸酐、琥珀酸和聚乙烯醇PVA为原料）对AC进行修饰，改性后的AC电容去离子作用和循环使用寿命得到显著提高。当黏结剂AT250用量为AC质量的20%时，改良AC电极AT250-20/AC-PVA在1.5 V的电位及1 mL/s流速下，对1 mol/L CaCl2和1 mol/L MgCl2混合溶液盐吸附容量达到了34.5 mg/g。研究表明，两性离子聚合物上的油酸和各种内酯通过C—C单键和C=C双键与AC在其表面结合，支化的空间结构形成了更大的π轨道重叠，增加了π-π共轭作用的同时，也有利于碱金属离子吸附到电极的孔隙中。

K. H. KIM〔24〕等通过氟化法将C—F引入到活性炭上，修饰后的AC表面C—F键含量高达19.5%，反应过程对孔壁的刻蚀导致材料的比表面积下降，比电容提升30%，吸附容量为16.5 mg/g。由于碳、氟之间的电负性差很大，引入的C—F键具有很强的极性，导致电极表面带负电荷，能够增加对正离子的吸附，并且该共价键在AC表面的浓度随着制备过程中氟气分压的增大而增加。氟化后的AC电极比电容增加，电荷转移电阻减小，是一种实用的CDI阴极电极材料。

1.2 石墨烯基复合电极

石墨烯因其独特的二维空间结构、大的离域电子网络、优异的导电性和大比表面积等优势在CDI电极材料研究中一直是热点〔25-26〕。在范德华力的作用下，石墨烯易于发生严重聚集，导致电吸附性能下降；较差的润湿性也限制了离子在电极中的传递效率。基于含有丰富氧功能基团的氧化石墨烯（Gra- phene oxide，GO）构建的功能化石墨烯，可有效改造纳米结构增强电吸附性能〔27-28〕。有机修饰策略包括共价和非共价两类，利用共价键的形成将修饰分子键合到碳材料上形成稳定的三维空间结构，或者利用氢键、π-π共轭堆积等分子间作用力构建复合材料来增强碳材料的电吸附性能〔29-30〕。

Mengjuan MI等〔31〕报道了一种用于高性能CDI的N掺杂中空介孔炭球N-HMCS和多孔石墨烯水凝胶HGH的分层多孔复合材料的合成路线。一锅水热法制备出的N-HMCS/HGH复合材料显示出明显的三维分层结构，高比表面积（337.7 m2/g），高导电性和高亲水性。优化后的复合材料电极在0.5 mol/L NaCl溶液中有着较大的比电容（226.5 F/g），在初始质量浓度为500 mg/L和2 500 mg/L的NaCl溶液中分别具有17.8 mg/g和32.0 mg/g的吸附容量，同时在35次CDI再生循环实验中展示出良好的循环稳定性。

S. PASCO等〔32〕将还原氧化石墨烯（rGO）与钛酸纳米管（TNT）以3∶1的质量比微波辅助反应制成了新型的石墨烯基复合材料。随着复合材料的形成，rGO原本的炔烃键带迹消失，这种电子积累的现象引起了较强的静电吸引，加强了电吸附效果。在重金属离子Cu2+和Pb2+质量浓度均为80 mg/L时，rGO-TNT的最大电吸附容量分别为3.99 mmol/g（253.25 mg/g）和1.17 mmol/g（241.65 mg/g）。BET测试结果表明该复合材料具有511.226 m2/g的高比表面积，介孔率为99.83%。

笔者所在课题组〔27〕用GO为前躯体，通过同时进行亲核加成、酰胺化反应和静电自组装工艺，实现了对苯二胺（DAB）功能化石墨烯（DAB-mGO）的“一锅法”制备。与GO相比，DAB-mGO的电导率、比表面积和孔隙率显著增加，130 ℃下制备的DAB-mGO130在1.4 V点电压下，对Na+、Mg2+、Ca2+溶液的电吸附容量分别为7.88、8.02、13.55 mg/g，这些数值是商业AC的1.3~1.5倍。GO的简单功能化有利于多孔纳米结构的产生，是提升其CDI性能的有效方法。

课题组再次利用“一锅法”合成了多亚乙基胺官能化的GO纳米复合材料〔33〕，由于氮上孤对电子与盐离子之间的界面相互作用，含氮的亚乙基胺的修饰可提高石墨烯材料的吸附性能，并且尾端的—NH2与GO的C—O—C官能团反应可生成稳定的C—N键并共同形成多孔纳米结构，提供离子传输通道，提高脱盐效率。结果表明，基于三乙基四胺改性石墨烯与AC共混复合材料（TETA-mGO与AC质量比为1∶9，）电极的电容去离子装置具有最佳的电吸附性能，在1.6 V的电压下具有147.29 F/g的比电容和15.17 mg/g的盐吸附容量。

课题组还利用间苯二胺（mPEA）和GO反应得到功能化石墨烯（fG），将适量的AC和fG混合超声处理，得到AC/mPEA-fG三维石墨烯互联网络架构复合材料〔34〕。经测试，AC/mPEA-fG在NaCl溶液中的最佳电吸附容量为12.58 mg/g，是普通AC（5.31 mg/g）的2.37倍。研究表明，C—N键和酰胺键等的形成说明了mPEA对GO的成功功能化，这加强了对AC的化学吸附并且增强了石墨烯片层间的界面相互作用。电吸附性能增强，归因于合理的三维石墨烯网络架构引起的比表面积的增大和离子传输效率的增加，前者可以作为离子传输的快速通道，后者则降低了电荷传质阻力。

1.3 类石墨烯复合电极

MoS2是一种具有理想电化学平台和优异电化学性能的新型CDI电极材料。它的厚度跟石墨烯相近，同样有着类似石墨烯片层的二维结构。在MoS2中，两层S原子把一层Mo原子像“三明治”一样夹在中间〔35〕。一般热处理产生的富缺陷MoS2具有24.6 mg/g的电吸附容量，这些缺陷可以提供丰富的负电荷，加强静电作用，有效比表面积也由原来的29.5 m2/g增加到了42.8 m2/g，使其较未处理的MoS2材料8.8 mg/g的电吸附容量得到提升。此外，MoS2还具有价格低廉，易于加工的特点，在CDI领域研究亟待解决的是其较差的润湿性导致的非理想的电化学吸附性能〔36〕。

Qingmiao WANG等〔37〕用简单的化学修饰使多巴胺在MoS2表面进行自聚合反应，成功制备了润湿性较好的MoS2/PDA纳米复合材料。浸泡处理时间为4 h的MoS2/PDA-4样品具有最佳的电吸附容量（16.94 mg/g），优于同等实验条件下未修饰的MoS2（10.97 mg/g），该复合材料具有更好的亲水润湿性和比电容（99.9 F/g）。

Shichao TIAN等〔38〕以尿素为g-C3N4前驱体，通过简单水热法成功制备了MoS2/g-C3N4纳米复合材料。该材料具有较大的比表面积（174.26 m2/g）和合适的多孔结构。MoS2/g-C3N4复合材料较MoS2和g-C3N4的比电容和电导率都有所提高。MoS2/g-C3N4电吸附能力显著增强，在1.6 V、250 mg/L NaCl溶液下的SAC为24.16 mg/g。循环吸附-脱附实验表明，MoS2/g-C3N4电极具有良好的循环稳定性。增强的电化学吸附现象得益于材料的电容提升和扩散控制两方面的贡献，权重分别为85.26%和14.74%。

1.4 碳纳米管基复合电极

碳纳米管中碳原子主要以sp2杂化为主，这些p轨道的彼此交叠在碳纳米管表面形成了高度离域的大π键，为其与共轭修饰大分子非共价结合提供了基础〔16〕。

C. H. HOU等〔39〕采用有机修饰方法制备了多壁碳纳米管/聚乙烯醇（MWCNTs/PVA）复合电极材料。MWCNTs/PVA具有较强的亲水性、较高的介孔率和优良的电容特性，在1.2 V、0.001 mol/L NaCl溶液的电容去离子实验中，SAC达到了13.07 mg/g，电吸附率为0.073/min，能耗为0.038 kW·h/m3。增强的电容去离子能力来源于MWCNTs/PVA有效比表面积的增加和利于离子传输的介孔结构的形成。

Dongya MA等〔40〕合成了一种多磺酸基、多羟基的环糊精-硫丁基醚聚合物，并将其非共价修饰到了碳纳米管表面制得CNT@SBE-b-CDP电极复合材料。结果表明，CNT@SBE-b-CDP的亲水性和电容特性（比电容60.9 F/g，亲水角65.5°）相较于CNT（比电容51.7 F/g，亲水角103.6°）得到明显提高。理论分析表明，引入的—SO3-在电吸附过程中不会消耗电荷反而会引起静电作用力加强离子的转移，加大了CNT@SBE-b-CDP的电吸附效率。电容去离子实验表明，在1.2 V、500 mg/L的NaCl溶液中，CNT@SBE- b-CDP作为阴极的平均盐吸附容量和电荷效率分别为6.37 mg/g和36.9%，并且具有良好的循环稳定性，50个循环周期后该电极的盐吸附容量衰减率仅为4.4%。

1.5 基于有机框架的复合电极

1.5.1 ZIF

金属-有机骨架材料（Metal-Organic-Framewo- rks，MOF）是指过渡金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性规则网络结构的多孔晶体材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔径可调等优点，活跃在无机、有机化学等多个化学分支研究方向中，在催化、储能等领域中都有广泛的应用〔41〕。沸石型咪唑盐框架（Zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs）是一种具有吸引力的MOF类材料，它由咪唑盐连接物和金属离子组成，拥有较为规整的四面体结构。ZIFs固有的多孔特性、优异的热稳定性和化学稳定性使其有着多方面的研究潜力。从ZIFs中得到的纳米孔碳材料具有较高的含氮量，可以提高其能量转换和储存的电容性能〔42〕。Yong LIU等〔43〕以ZIF-8衍生的多孔碳多面体作为CDI电极进行了探索性工作，获得了13.86 mg/g的高电吸附容量。然而，其微孔主导的孔径分布和较低的孔隙体积，降低了离子传输效率，极大地限制了在CDI应用中的潜力。

Jiaming SHEN等〔44〕以单宁酸为蚀刻剂，采用化学刻蚀法制备了空心ZIFs衍生的新型纳米多孔碳材料（HZCs）。合成的HZCs具有较高的比表面积、较宽的孔径分布、明显的空腔结构和较高的含氮量。结论证明，空心介孔结构有利于CDI过程中离子的传输，HZCs在1.2 V、500 mg/L NaCl溶液中电吸附容量为15.31 mg/g，CDI性能有了显著的改善。进一步的循环实验表明，HZCs在超过20次吸附-解吸循环后仍具有良好的再生稳定性。

Yubo ZHAO等〔45〕以ZIF-8为前体，尿素和KOH为增强电容去离子性能活化剂，合成了新型富氮介孔碳NKZCs。结果表明，NKZCs作为CDI电极在1.2 V、1 000 mg/L NaCl溶液中的电吸附容量为31.30 mg/g，高于ZIF-8/KOH复合材料（20.29 mg/g）和ZIF-8（17.18 mg/g）。此外，经过50次吸附-解吸循环后，电吸附容量没有下降，说明该新型介孔碳材料具有良好的可回收性。分析表明，NKZCs材料CDI性能的提高是由于其优越的介孔结构和丰富的氮含量，这不仅有利于离子的迁移，而且提高了NKZCs的导电性和亲水性。

Mingzhu ZONG等〔42〕以ZIF-8为前驱体，通过在热解过程中加入熔融盐成功制备了新型的ZIF-8衍生的二维氮掺杂非晶介孔结构纳米片材料ZMCs。ZMCs具有独特的网状结构、孔隙体积大、含氮量高、离子扩散速率快、润湿性好的优点。CDI测试结果表明，在1.2 V、1 000 mg/L的KCl溶液中ZMCs电极的吸附容量为46.4 mg/g，优于未处理的ZIF-8电极材料（19.1 mg/g）。并且在循环试验中该材料在15次的吸附-解吸循环中性能没有下降，具有良好的再生稳定性。进一步的分析指出，熔融盐的存在有利于无定型介孔碳的形成，进而提高了离子传输效率和电容特性。

1.5.2 COF类衍生碳复合电极

共价有机骨架（Covalent organic framework，COF）是一类结晶型有机多孔材料，它可以通过化学反应将功能单元以共价键的形式连接成高度有序的二维叠层结构或者三维拓扑结构。大多数COFs是由动态稳定的共价键连接，目前已经有超过20种不同框架的COFs材料，其中硼酸酯类、三嗪类、C=C双键和亚胺类的应用最为广泛〔46〕。COFs比MOFs具有更好的化学稳定性和热稳定性，兼具比表面积大、功能可调、结晶性强等优点。在CDI应用方面，COFs衍生碳的共价结构具有独特的手性，赋予了COFs很高的电荷载流子迁移率，且较高的含氮量会提高其亲水性和电化学活性。但是COFs的链结晶和链增长过程非常复杂，对聚合条件如时间、温度、压力等指标要求严格，高质量COF晶体的合成仍然是个挑战。

Daohua LIU等〔47〕成功合成了具有高含氮量、低电阻的共价三嗪基骨架多孔衍生碳材料CTFs。所得CTFs含有丰富的微孔结构，为离子吸附提供了位点，良好的亲水性也保证了孔隙的有效利用，进而提高了脱盐性能。FT-IR表征分析中，CTFs在位于2 232 cm-1附近处的C☰N键振动消失，说明了氰基发生了完全的三聚反应。CDI测试结果也表明，CTFs电极在1.2 V、1 000 mg/L的NaCl溶液中电吸附容量为29.34 mg/g，再生性能稳定。电化学实验表明，CTFs电极在1 mol/L NaCl溶液中，扫描速率为1 mV/s时的最大比电容为122.63 F/g。

Danping LI等〔48〕利用八水六酮环己烷和二氨基甲腈在热乙酸溶液中进行反应，然后碳化和简单缩合，通过π电子重排机理制备六氮杂三苯并菲前驱体微孔抗氧化碳材料HAT-CN。这种结构和性质可调的二维晶体具有高的比表面积，良好的结晶性和快速的离子传输通道。与最初的石墨烯结构相比，6个N原子围绕形成的空穴可以锚定一些能产生相互作用的K+或Cl-离子，与碳材料相比，N原子的掺杂可以增强结构的极化，提高材料的亲水性、导电性和比电容容量。在5 mV/s、1 mol/L NaCl溶液的条件下该材料的比电容为179.2 F/g，在1.2 V、500 mg/L的NaCl溶液中的吸附容量为24.66 mg/g。

1.6 生物质多孔碳材料

生物质碳是指富含碳的生物质在无氧或者有氧条件下经过高温裂解生成的一种高度芳香化的多孔碳物质，是一种新型多功能碳材料。生物质碳除了原料来源充足、经济绿色的独特优势，它还具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积且表面含有较多的含氧官能团。由于来源于动植物体，其在高温碳化后也常常富含一些其他元素如硫、氮等。农业领域常用它来改良土壤，增加土壤肥力和吸附重金属和有机污染物。在CDI应用中〔49〕，已有多种不同的生物质碳材料被用作电极开展研究，如椰子壳、大豆壳、麦秸、蚕丝和海藻等。孔洞结构的调控以及前驱体活化方法的优化仍是该领域的一个亟待攻破的难关。

J. J. LADO等〔50〕以甘蔗渣灰（SCBFA）为原料，采用了KOH化学法和CO2物理方法结合的方式对SCBFA进行了活化处理。最终得到了比表面积更大、中孔比例更高、亲水性更强的生物质多孔碳材料SCBFA-ACs。CDI和MCDI实验结果表明，离子交换膜对限制共离子效应，提高电荷转移效率起着关键的作用，电荷效率从5%~30%提高到了80%~95%，盐吸附能力SAC从~5 mg/g提高到了22 mg/g的水平。电化学分析表明，所得SCBFA-ACs比电容相较于未活化的SCBFA-ACs有了提升，在循环吸附实验中，SCBFA-ACs电极在70个循环后电吸附性能仍有着87%的保留，具有良好的循环稳定性。

Lu ZHANG等〔51〕以蚕茧为前驱体，通过CO2活化和高温碳化的方法制得了富氮活性炭纤维材料AN-CFs。氮原子大小与碳原子相似且含有一对孤对电子，氮掺杂是有效提升碳材料电化学活性的一种方法〔52〕。所得多孔碳材料呈纤维状，富含氮元素，具有大的比表面积。在1.2 V、500 mg/L NaCl溶液中，活化后的AN-CFs材料的比电容（236.03 F/g）和电吸附容量（16.56 mg/g）较未活化的N-CFs材料（196.05 F/g，12.02 mg/g）得到了提升，且具有良好的循环稳定性。

对CDI研究中所用的相关电极材料的数据结果整理如表 1所示。

表1   所报道CDI研究中相关电极材料

Table 1  Relevant electrode materials in the reported CDl study

材料比表面积/（m 2·g -1）〔比电容/（F·g -1）〕/〔扫速/（mV·s -1）〕电极电压/V吸附容量/（mg·g -1）盐质量浓度/（mg·L -1）
AC-TiO 2-S〔21〕—238/51.210.00500
S-AC〔22〕——/51.014.70500
AT250-20/AC-PVA〔23〕46.8—/—1.534.503 200
FAC〔24〕—255/51.216.50500
N-HMCS〔31〕337.7226.5/11.417.80500
DAB-mGO130〔27〕731.478.92/51.413.55300
TETA-mGO/AC-10%〔33〕—297.57/11.615.1760
AC/mPEA-fG〔34〕—27.9/101.812.581 462
MoS 2〔36〕29.574.22/50.88.80100
T-MoS 2〔36〕42.8221.35/50.824.60100
MoS 2/PDA-4〔37〕—99.9/201.216.94200
g-C 3N 4〔38〕32.8118.56/1001.44.90500
MoS 2/g-C 3N 4〔38〕174.26118.3/1001.624.16250
MWCNTs/PVA〔39〕20847.4/51.213.0759
CNT@SBE-b-CDP〔40〕—60.9/51.26.37500
ZIF-8〔43〕1187.8275.69/11.213.86500
HZCs〔44〕642.7214.7/51.215.31500
ZIF-8/KOH〔45〕3276.2890.53/101.220.291 000
NKZCs〔45〕2564.99155.83/101.231.301 000
ZMCs〔42〕614.6182.22/101.246.401 000
CTFs〔47〕361.6122.63/11.229.341 000
HAT-CN〔48〕830.9179.2/51.224.66500
SCBFA-ACs〔50〕~125117/51.222.80600
N-CFs〔51〕792.4196.05/11.212.02500
AN-CFs〔51〕905.3236.03/11.216.56500

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2 结论与展望

CDI是以现代电化学双电层理论为基础的一种低能耗、高效率、低成本、易维护、绿色经济的电脱盐技术，在水处理应用领域有着广阔的发展前景。CDI用电极的研发是目前主要科研方向，常用的原料与研究对象也多为来源广泛的碳材料及MOF、COF之类的衍生碳材料，这些材料通常都有着较大的比表面积和良好的电化学活性。从近几年相关研究来看，新型电极材料的设计理念从最初的创造大比表面积、高比电容的电极“模板”延伸到加强电吸附过程效率的角度上来。经过总结与归纳，可参考的新型CDI电极设计策略如下：（1）构建中微孔复合三维立体架构，合适的孔径结构可以为离子传输提供有利通道，同时保证材料整体的导电性；（2）通过前驱体活化或者有机修饰方法实现其他元素如氮、磷、硫等的掺杂以综合提升材料电化学活性及电吸附过程的离子传输效率；（3）通过有机修饰手段对电极表面进行改性，例如引入含有亲水基团的小分子或者两性聚合物可以提高电极的亲水性，引入稳定的离子基团可以通过静电作用加强电吸附效果；（4）充分利用纳米材料本身的结构优势并加以扩充。最典型的例子就是氧化石墨烯GO在还原过程中易发生聚集破坏了石墨烯原本的平面结构，加入目标分子进行共价或非共价修饰，通过强的共价键、π-π共轭堆积和氢键等分子间作用力改进空间结构，使石墨烯材料具有更大的比表面积和电化学活性。

CDI电极材料的研究一直在向实际应用推进，这不但需要电极材料及其整个装置具有更高的工作效率、循环稳定性和环境耐受性，制作成本、维护损耗等经济问题也是需要进行考量的因素。随着相关研究的不断深入，商业型CDI装置大规模投入实际应用的美好未来也会一步步地实现。

参考文献

QIAO Panzhe , WU Jiaxing , LI Haoze , et al.

Plasmon Ag-promoted solar-thermal conversion on floating carbon cloth for seawater desalination and sewage disposal

[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11 (7): 7066- 7073.

URL     [本文引用: 1]

DONG Hang , SHEPSKO , CHELSEY S , et al.

Hybrid ion exchange desalination(HIX-Desal) of impaired brackish water using pressurized carbon dioxide(CO2) as the source of energy and regenerant

[J]. Environmental Science & Technology Letters, 2018, 5 (11): 701- 706.

URL     [本文引用: 1]

AHMED M A , TEWARI S .

Capacitive deionization: Processes, materials and state of the technology

[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2018, 813, 178- 192.

DOI:10.1016/j.jelechem.2018.02.024      [本文引用: 1]

CHEN Chao , JIANG Yilin , YE Zhaoyong , et al.

Sustainably integrating desalination with solar power to overcome future freshwater scarcity in China

[J]. Global Energy Interconnection, 2019, 2 (2): 98- 113.

DOI:10.1016/j.gloei.2019.07.009      [本文引用: 1]

GAO X , OMOSEBI A , HOLUBOWITCH N , et al.

Capacitive deionization using alternating polarization: Effect of surface charge on salt removal

[J]. Electrochimica Acta, 2017, 233, 249- 255.

DOI:10.1016/j.electacta.2017.03.021      [本文引用: 1]

HAWKS S A , RAMACHANDRAN A , CAMPBELL P G , et al.

Performance metrics for the objective assessment of capacitive deionization systems

[J]. Water Research, 2019, 152, 126- 137.

DOI:10.1016/j.watres.2018.10.074      [本文引用: 1]

张须媚, 王霜, 高娟娟, 等.

电容去离子技术在水处理中的应用

[J]. 水处理技术, 2018, 44 (9): 16- 21.

URL     [本文引用: 1]

XING Wenle , LIANG Jie , TANG Wangwang , et al.

Versatile applications of capacitive deionization(CDI)-based technologies

[J]. Desalination, 2020, 482, 114390.

DOI:10.1016/j.desal.2020.114390      [本文引用: 1]

HAN Bing , CHENG Gong , WANG Yunkai , et al.

Structure and functionality design of novel carbon and faradaic electrode materials for high-performance capacitive deionization

[J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 360, 364- 384.

DOI:10.1016/j.cej.2018.11.236      [本文引用: 2]

SINGH K , PORADA S , DE GIER H D , et al.

Timeline on the application of intercalation materials in Capacitive Deionization

[J]. Desalination, 2019, 455, 115- 134.

DOI:10.1016/j.desal.2018.12.015      [本文引用: 1]

CHEN Zhaolin , ZHANG Hongtao , WU Chunxu , et al.

A study of electrosorption selectivity of anions by activated carbon electrodes in capacitive deionization

[J]. Desalination, 2015, 369, 46- 50.

DOI:10.1016/j.desal.2015.04.022      [本文引用: 1]

YOON H , LEE J , KIM S , et al.

Capacitive deionization with Ca-alginate coated-carbon electrode for hardness control

[J]. Desalination, 2016, 392, 46- 53.

DOI:10.1016/j.desal.2016.03.019     

LI Bei , ZHENG Tianye , RAN Sijia , et al.

Performance recovery in degraded carbon-based electrodes for capacitive deionization

[J]. Environmental Science & Technology, 2020, 54 (3): 1848- 1856.

URL     [本文引用: 1]

LIU Yihan , ZHANG Xiongfei , GU Xiao , et al.

One-step turning leather wastes into heteroatom doped carbon aerogel for performance enhanced capacitive deionization

[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2020, 303, 110303.

DOI:10.1016/j.micromeso.2020.110303      [本文引用: 1]

BIAN Yanhong , LIANG Peng , YANG Xufei , et al.

Using activated carbon fiber separators to enhance the desalination rate of membrane capacitive deionization

[J]. Desalination, 2016, 381, 95- 99.

DOI:10.1016/j.desal.2015.11.016      [本文引用: 1]

WANG Shuo , WANG Dazhi , JI Lijun , et al.

Equilibrium and kinetic studies on the removal of NaCl from aqueous solutions by electrosorption on carbon nanotube electrodes

[J]. Separation and Purification Technology, 2007, 58 (1): 12- 16.

DOI:10.1016/j.seppur.2007.07.005      [本文引用: 2]

XU Ke , LIU Yanhui , AN Zihan , et al.

The polymeric conformational effect on capacitive deionization performance of graphene oxide/polypyrrole composite electrode

[J]. Desalination, 2020, 486, 114407.

DOI:10.1016/j.desal.2020.114407      [本文引用: 1]

DIANBUDIYANTO W , LIU Shouheng .

Outstanding performance of capacitive deionization by a hierarchically porous 3D architectural graphene

[J]. Desalination, 2019, 152, 126- 137.

URL     [本文引用: 1]

SUFIANI O , ELISADIKI J , MACHUNDA R L , et al.

Modification strategies to enhance electrosorption performance of activated carbon electrodes for capacitive deionization applications

[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2019, 848, 113328.

DOI:10.1016/j.jelechem.2019.113328      [本文引用: 1]

CHEN Zhaolin , ZHANG Hongtao , WU Chunxu , et al.

A study of the effect of carbon characteristics on capacitive deionization(CDI) performance

[J]. Desalination, 2018, 433, 68- 74.

DOI:10.1016/j.desal.2017.11.036      [本文引用: 1]

MIN B H , CHOI J H , JUNG K Y .

Improved capacitive deionization of sulfonated carbon/titania hybrid electrode

[J]. Electrochimica Acta, 2018, 270, 543- 551.

DOI:10.1016/j.electacta.2018.03.079      [本文引用: 2]

HAQ O , CHOI D S , CHOI J , et al.

Carbon electrodes with ionic functional groups for enhanced capacitive deionization performance

[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2020, 83, 136- 144.

DOI:10.1016/j.jiec.2019.11.021      [本文引用: 2]

JUNG Y , YAN Y , KIM T , et al.

Enhanced electrochemical stability of a Zwitterionic-Polymer-Functionalized electrode for capacitive deionization

[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10 (7): 6207- 6217.

URL     [本文引用: 2]

KIM K H , KANG D H , KIM M J , et al.

Effect of C-F bonds introduced by fluorination on the desalination properties of activated carbon as the cathode for capacitive deionization

[J]. Desalination, 2019, 457, 1- 7.

DOI:10.1016/j.desal.2018.12.005      [本文引用: 2]

DREYER D R , PARK S , BIELAWSKI C W , et al.

The chemistry of graphene oxide

[J]. Chemical Society Reviews, 2009, 39 (1): 228- 240.

[本文引用: 1]

PORADA , S , ZHAO R , VAN DER WAL A , et al.

Review on the science and technology of water desalination by capacitive deionization

[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58 (8): 1388- 1442.

DOI:10.1016/j.pmatsci.2013.03.005      [本文引用: 1]

ZHANG Xumei , XIE Kangjun , GAO Juanjuan , et al.

Highly poreexpanded benzidine-functionalized graphene framework for enhanced capacitive deionization

[J]. Desalination, 2018, 445, 149- 158.

DOI:10.1016/j.desal.2018.08.001      [本文引用: 3]

GONG Xuezhong , LIU Guozhen , LI Yingshun , et al.

Functionalizedgraphene composites: Fabrication and applications in sustainable energy and environment

[J]. Chemistry of Materials, 2016, 28 (22): 8082- 8118.

DOI:10.1021/acs.chemmater.6b01447      [本文引用: 1]

张树鹏, 宋海欧, 钱沁莱, 等.

增强功能化石墨烯分散性及热稳定性的共价修饰策略

[J]. 化学通报, 2013, 76, 506- 511.

URL     [本文引用: 1]

钱悦月, 张树鹏, 高娟娟, 等.

石墨烯非共价功能化及其应用

[J]. 化学通报, 2015, 78, 497- 504.

URL     [本文引用: 1]

MI Mengjuan , LIU Xiaojun , KONG Weiqing , et al.

Hierarchical composite of N-doped carbon sphere and holey graphene hydrogel for high-performance capacitive deionization

[J]. Desalination, 2019, 464, 18- 24.

DOI:10.1016/j.desal.2019.04.014      [本文引用: 2]

BAUTISTA-PATACSIL L , LAZARTE J P L , DIPASUPIL R C , et al.

Deionization utilizing reduced graphene oxide-titanium dioxide nanotubes composite for the removal of Pb2+ and Cu2+

[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2020, 8 (3): 103063.

DOI:10.1016/j.jece.2019.103063      [本文引用: 1]

HU Shen , XIE Kangjun , ZHANG Xumei , et al.

Significantly enhanced capacitance deionization performance by coupling activated carbon with triethyltetramine-functionalized graphene

[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 384, 123317.

DOI:10.1016/j.cej.2019.123317      [本文引用: 2]

SONG Haiou , WU Yifan , ZHANG Shupeng , et al.

Mesoporous generation-inspired ultrahigh capacitive deionization performance by sono-assembled activated carbon/inter-connected graphene network architecture

[J]. Electrochimica Acta, 2016, 205, 161- 169.

DOI:10.1016/j.electacta.2016.04.082      [本文引用: 2]

XING Fei , LI Tao , LI Junye , et al.

Chemically exfoliated MoS2 for capacitive deionization of saline water

[J]. Nano Energy, 2017, 31, 590- 595.

DOI:10.1016/j.nanoen.2016.12.012      [本文引用: 1]

JIA Feifei , SUN Kaige , YANG Bingqiao , et al.

Defect-rich molybdenum disulfide as electrode for enhanced capacitive deionization from water

[J]. Desalination, 2018, 446, 21- 30.

DOI:10.1016/j.desal.2018.08.024      [本文引用: 3]

WANG Qingmiao , JIA Feifei , SONG Shaoxian , et al.

Hydrophilic MoS2/polydopamine(PDA) nanocomposites as the electrode for enhanced capacitive deionization

[J]. Separation and Purification Technology, 2020, 236, 116298.

DOI:10.1016/j.seppur.2019.116298      [本文引用: 2]

TIAN Shichao , ZHANG Xihui , ZHANG Zhenghua .

Capacitive deionization with MoS2/g-C3N4 electrodes

[J]. Desalination, 2020, 479, 114348.

DOI:10.1016/j.desal.2020.114348      [本文引用: 3]

HOU C H , LIU N L , HSU H L , et al.

Development of multi-walled carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) composite as electrode for capacitive deionization

[J]. Separation & Purification Technology, 2014, 130, 7- 14.

URL     [本文引用: 2]

MA Dongya , WANG Yue , CAI Yanmeng , et al.

Multifunctional group sulfobutyl ether β-cyclodextrin polymer treated CNT as the cathode for enhanced performance in asymmetric capacitive deionization

[J]. Electrochimica Acta, 2019, 313, 321- 330.

DOI:10.1016/j.electacta.2019.05.041      [本文引用: 2]

ZENG Tianyu , WANG Liwen , FENG Lu , et al.

Two novel organic phosphorous-based MOFs: Synthesis, characterization and photocatalytic properties

[J]. Dalton Transactions, 2019, 48 (2): 523- 534.

DOI:10.1039/C8DT04106G      [本文引用: 1]

ZONG Mingzhu , ZHANG Yuyan , LI Kexun , et al.

Zeolitic imidazolate framework-8 derived two-dimensional N-doped amorphous mesoporous carbon nanosheets for efficient capacitive deionization

[J]. Electrochimica Acta, 2020, 329, 135089.

DOI:10.1016/j.electacta.2019.135089      [本文引用: 3]

LIU Yong , XU Xintong , WANG Miao .

Metal-organic framework-derived porous carbon polyhedra for highly efficient capacitive deionization

[J]. Chemical Communications, 2015, 51 (60): 12020- 12023.

DOI:10.1039/C5CC03999A      [本文引用: 2]

SHEN Jiaming , LI Yang , WANG Chaohai , et al.

Hollow ZIFs-derived nanoporous carbon for efficient capacitive deionization

[J]. Electrochimica Acta, 2018, 273, 34- 42.

DOI:10.1016/j.electacta.2018.04.004      [本文引用: 2]

ZHAO Yubo , ZHANG Yuyan , TIAN Pei , et al.

Nitrogen-rich mesoporous carbons derived from zeolitic imidazolate framework-8 for efficient capacitive deionization

[J]. Electrochimica Acta, 2019, 321, 134665.

DOI:10.1016/j.electacta.2019.134665      [本文引用: 3]

LI Yusen , CHEN Weiben , XING Guolong , et al.

New synthetic strategies toward covalent organic frameworks

[J]. Chemical Society Reviews, 2020, 49 (10): 2852- 2868.

DOI:10.1039/D0CS00199F      [本文引用: 1]

LIU Daohua , NING Xunan , HONG Yanxiang , et al.

Covalent triazine-based frameworks as electrodes for high-performance membrane capacitive deionization

[J]. Electrochimica Acta, 2019, 296, 327- 334.

DOI:10.1016/j.electacta.2018.10.044      [本文引用: 2]

LI Danping , NING Xunan , HUANG Yue , et al.

Nitrogen-rich microporous carbon materials for high-performance membrane capacitive deionization

[J]. Electrochimica Acta, 2019, 312, 251- 262.

DOI:10.1016/j.electacta.2019.04.172      [本文引用: 2]

XIE Zhengzheng , SHANG Xiaohong , YAN Junbin , et al.

Biomassderived porous carbon anode for high-performance capacitive deionization

[J]. Electrochimica Acta, 2018, 290, 666- 675.

DOI:10.1016/j.electacta.2018.09.104      [本文引用: 1]

LADO J J , ZORNITTA R L , VAZQUEZ , et al.

Sugarcane biowastederived biochars as capacitive deionization electrodes for brackish water desalination and water-softening applications

[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7 (23): 18992- 19004.

URL     [本文引用: 2]

ZHANG Lu , LIU Yong , LU Ting , et al.

Cocoon derived nitrogen enriched activated carbon fiber networks for capacitive deionization

[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2017, 804, 179- 184.

DOI:10.1016/j.jelechem.2017.09.062      [本文引用: 3]

MUTHUKUMARASWAMY R V , EDATHIL A A , KANNANGARA Y Y , et al.

Tamarind shell derived N-doped carbon for capacitive deionization(CDI) studies

[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2019, 848, 113307.

DOI:10.1016/j.jelechem.2019.113307      [本文引用: 1]

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