电容去离子法具有高效、低环境污染、低能耗等优点，被认为是解决淡水短缺问题的有效方法。然而，开发先进的电极材料来提高电容去离子化性能仍然是一个挑战。本文将Lewis酸性熔盐蚀刻和电偶取代反应相结合，成功制备了分级铋纳米片(Bi-ene NSs)@MXene异质结构，实现了熔盐蚀刻副产物的有效利用。垂直排列的铋纳米片均匀地原位生长在MXene表面，不仅促进了离子和电子的传递，提供了丰富的活性位点，而且提供了铋与MXene之间强烈的界面相互作用。综上所述，Bi-ene NSs@MXene异质结构作为一种极具前景的电容去离子化电极材料，具有较高的海水淡化容量(在1.2 V时为88.2 mg/g)、快速的海水淡化速率和良好的长期循环性能。通过系统表征和密度泛函理论计算，阐述了所涉及的机制。这项工作为基于MXene的异质结构的制备及其在电容去离子化中的应用提供了启发。
 
图1. 双烯NSs@MXene异质结构制备原理。
 
图2 (a) Cu@MXene、纯MXene和Bi-ene NSs@MXene异质结构的XRD图谱。(b)纯MXene和Bi-ene NSs@MXene异质结构的拉曼光谱。(c) Bi-ene NSs@MXene异质结构的高分辨率Ti 2p和(d) Bi 4f XPS光谱。
  图3. (a, b)典型的SEM图像，(c, d) TEM图像和(e−g) HAADF-STEM图像以及Biene NSs@MXene异质结构的相应元素映射。
 
图4 (a)双烯NSs@MXene异质结构和本体铋在2 mV/s下的CV曲线。(b) Bi-ene NSs@ MXene异质结构和本体铋的奈奎斯特图。(c) CV曲线和(d)不同扫描速率下双烯NSs@MXene异质结构的电容贡献。
 
图5 (a)电导率瞬变，(b)相应的海水淡化能力瞬变，(c) 1.2 v时Bi-ene NSs@MXene异质结构和体积铋的海水淡化速率瞬变。(d) Bi-ene NSs@MXene异质结构和其他HCDI系统的Kim−Yoon−Ragone图。(e)在各种恒定电位下，双烯NSs@MXene异质结构和散装铋的淡化能力。(f)双烯NSs@MXene异质结构在1.2 V下的循环稳定性测试。
 
图6 (a)在海水淡化过程中带电/放电状态下的Bi-ene NSs@MXene异质结构的XRD分析。(b)双烯NSs@MXene异质结构在带电/放电状态下的高分辨率Bi 4f光谱。(c)以双烯NSs@MXene异质结构作为负电极的组装HCDI系统的示意图。
 
图7 (a)双烯NSs@MXene异质结构和本体铋的总和部分态密度(DOS)。(b)双烯NSs@MXene异质结构的差异电荷密度。电荷的积累和消耗分别用浅黄色和蓝色表示。(c)氯离子在双烯NSs@MXene异质结构和本体铋表面的扩散路径示意图。(d) Cl⁻对应的双烯NSs@MXene异质结构和本体铋的扩散能垒产物。
 
      相关科研成果由河北工业大学化学工程与技术学院Jiapeng Liu等人2023年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11430)上。原文：Vertically Aligned Bismuthene Nanosheets on MXene for High-Performance Capacitive Deionization。

转自《石墨烯研究》公众号