清華新聞網(wǎng)11月1日電 為解決全球淡水資源的匱乏，通過(guò)海水淡化生產(chǎn)飲用水、灌溉用水和工業(yè)用水成為重要的解決方案，其中電容去離子（CDI）工藝由于環(huán)境友好和可在環(huán)境條件下運(yùn)行而受到廣泛關(guān)注。在各種電極炭材料中，單壁碳納米管（SWCNT）電極的電吸附、電荷補(bǔ)償機(jī)制及其影響因素仍然缺乏研究。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張錫輝團(tuán)隊(duì)在揭示碳納米管電極脫鹽過(guò)程復(fù)雜動(dòng)力學(xué)機(jī)制上取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)采用分子動(dòng)力學(xué)（MD）方法，模擬了手性指數(shù)分別為9,10,15的扶手椅式SWCNT在作為CDI系統(tǒng)的電極時(shí)，其內(nèi)部的水分子和電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、電荷補(bǔ)償機(jī)制、離子動(dòng)態(tài)和脫鹽性能，并詳細(xì)展示了SWCNT不同的孔徑和親疏水性的影響。
模擬結(jié)果顯示，電極充電后在W（9,9）的CNT中心出現(xiàn)了D（9,9）中所沒(méi)有的水鏈；所有的CNT中水分子都形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其中（15,15）的CNT中存在多個(gè)共中心水環(huán)。對(duì)電極的電荷補(bǔ)償機(jī)制的分析（圖1a）表明，D（9,9）和D（10，10）的CNT中僅存在反離子吸附的過(guò)程，而對(duì)應(yīng)手性指數(shù)的親水CNT中則同時(shí)存在反離子吸附、共離子排斥和離子交換三種機(jī)制。這是因?yàn)樵诔潆娗?，親水的CNT孔中含有更多的水分子和電解質(zhì)離子，在通電后孔中存在的這些共離子會(huì)被排斥出電極孔外。而在更大的（15,15）電極孔中，則無(wú)論CNT的親疏水性如何都同時(shí)存在上述三種電荷補(bǔ)償機(jī)制，但是通過(guò)充電前6ns電極孔中離子動(dòng)態(tài)的示意圖（圖1b）可以看出，親水的（15，15）孔中明顯有著遠(yuǎn)比疏水（15，15）孔中更多的共離子排斥和離子交換。
圖1.（a） CNT-CDI系統(tǒng)的反離子吸附、同離子排斥和離子交換的不同電荷補(bǔ)償機(jī)制；（b）在6ns充電時(shí)間內(nèi)CNT-CDI系統(tǒng)的電荷補(bǔ)償機(jī)制（藍(lán)色表示孔隙和儲(chǔ)層之間的離子交換尚未開(kāi)始）
該研究計(jì)算了不同孔徑和親疏水性的CNT電極CDI系統(tǒng)的鹽吸附容量（SAC）和鹽吸附率（SAR），以比較不同CNT電極的脫鹽效率（圖2）。結(jié)果顯示CNT-CDI系統(tǒng)的脫鹽效果受到電極孔徑和親疏水性的共同影響，其中W（9,9）具有最高的SAC和SAR。由于電解質(zhì)被截留在封閉的CNT孔隙中，所以其遷移受到了更多的限制。然而由于電極孔內(nèi)的離子和帶電的壁面內(nèi)共同對(duì)CNT內(nèi)的水分子結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，反離子進(jìn)入納米孔的電阻率有所降低。
圖2.圖中左軸代表CNT-CDI系統(tǒng)電吸附/排斥離子數(shù)，而右側(cè)黑軸代表CNT-CDI系統(tǒng)中SAC，紫色軸代表SAR
該工作還計(jì)算了在充電和未充電的親水/疏水（9,9）CNT孔中封閉水的相對(duì)介電常數(shù)，及介電常數(shù)在軸向和徑向上的分量。親水性納米管內(nèi)封閉水的介電常數(shù)比疏水性納米管內(nèi)的要高?？臻g的限域增加了介電常數(shù)的軸向分量，而徑向分量降低，這使得不帶電的D（9,9）內(nèi)的整體介電常數(shù)下降至42.8。
該研究成果以“碳納米管電極內(nèi)部疏水性和親水性脫鹽分子動(dòng)力學(xué)機(jī)理”（Molecular insights on capacitive deionization mechanisms insidethe hydrophobic and hydrophilic carbon nanotube channelelectrodes）為題，發(fā)表在國(guó)際期刊《材料化學(xué)A》（Journal of Materials Chemistry A）上，并被遴選為當(dāng)期封面論文。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授張錫輝為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)博士生法新·薩法里米安多阿布（Farzin Saffarimiandoab）為第一作者。該項(xiàng)目得到廣東重大科技專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)和深圳市水務(wù)局項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/d2ta06006j
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：呂婷 郭玲
