在电容式去离子（CDI）海水淡化过程中，开发具有高吸附容量和快速吸附速率的电极材料至关重要。在这里，作者提出了一种高取向致密化石墨烯（HODG）电极，其特点是具有有序/短离子传输通道、丰富的氧官能团、高堆积密度（1.374 g cm^-3）和大比表面积（543.72 m² g^-1），有利于实现超快离子扩散和超高体积脱盐能力。HODG 在 1 A g^-1 时的体积电容为 308 F cm^-3，在 1000 mg L^-1 NaCl 溶液中的体积盐吸附容量（v-SAC）为 57.70 mg cm^-3，在 1.2 V 电压下的吸附速度为 1.92 mg cm^-3 min^-1，创历史新高。即使经过 50 次吸附-解吸循环，它仍能保持 91.36% 的初始脱盐能力。这种设计策略为合理优化石墨烯结构提供了一条新途径，推动了高性能 CDI 电极材料向实际应用的发展。
 

Fig 1. 使用 HODG 电极进行 CDI 工艺的示意图，HODG 电极具有高度定向结构、高堆积密度、丰富的微孔/介孔和快速离子传输通道等优点。


Fig 2. 制备过程和形态特征。(a) HODG 的制备过程示意图。(b- g) 不同放大倍数下 (b) RDG、(c,d) HOG 和 (e-g) HODG3 的扫描电镜图像。(h-j）不同放大倍数下（h）RDG 和（i,j）HODG3 的 TEM 图像。
 

Fig 3. 化学和孔隙结构表征。(a) RDG 和 HODG3 的傅立叶变换红外光谱、(b) 拉曼光谱和 (c) EDS 元素测量。(d,e) (d) RDG 和 (e) HODG3 的 C 1s 峰的高分辨率 XPS 光谱。(f) RDG 和 HODG3 的 Zeta 电位测量值和 (g) 水接触角分析。(h,i) RDG 和 HODG3 的 N2 吸附-解吸等温线以及相应的孔径分布曲线。
 

Fig 4. 电化学性能调查。(a) 扫描速率为 1 mV s -1 时的 CV 曲线；(b) 电流密度为 1 A g^-1 时 0-1.0 V 电位范围内的 GCD 曲线；(c) RDG、HOG 和 HODGs 电极的重量电容和体积电容。(d) 不同扫描速率下的 CV 曲线，(e) 0-1.0 V 电位范围内不同电流密度下的 GCD 曲线，以及 (f) HODG3 电极不同电流密度下的重力电容和体积电容。
 
 
Fig 5. CDI 性能。(a) CDI 装置示意图，其中 1 至 7 分别为有机玻璃板、集流器、活性电极、阴离子交换膜（AEM）、隔板、硅胶垫圈和阳离子交换膜（CEM）。(b) RDG、HOG 和 HODG3 内部离子传输示意图（从左到右）。(c) 500 mg L^-1 NaCl 溶液中 1.2 V 电压下 RDG、HOG 和 HODGs 电极的 v-SAC。(d) RDG、HOG 和 HODGs 电极的 Ragone 图。(e、f）在 500 mg L^-1 NaCl 溶液中，不同电压（0.8、1.0、1.2、1.4 和 1.6 V）下 HODG3 电极的 v-SAC 和 v-SAR。(g、h）在不同浓度（100、250、500、750 和 1000 mg L^-1 ）的 NaCl 溶液中，1.2 V 电压下 HODG3 电极的 v-SAC 和 v-SAR。(i) HODG3 电极与其他碳基 CDI 电极的 v-SAC 和 g-SAC 比较。(j) HODG3 电极在 500 mg L^-1 NaCl 溶液中 1.2 V 的循环稳定性循环 CDI 实验。
  
        相关研究工作由河北工业大学Zhi-yong Ji和Panpan Zhang课题组于2024年共同发表在《ACS Materials Lett》期刊上，Promoting Volumetric Desalination Rate and Capacity via Highly Oriented, Densified Graphene Architectures，原文链接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c00946

转自《石墨烯研究》公众号