作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 PCF制备和电容去离子示意图
(一)聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯腈通过静电纺丝合成纤维，聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯腈自组装成无序、双连续的聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈区域，聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯腈热解成在连续碳基体中具有均匀和互连孔的聚己内酯
聚甲基丙烯酸甲酯产生中孔，聚丙烯腈产生碳
在聚丙烯腈的热解过程中，碳基体中也会产生微孔，微孔与中孔相互连接
(二)充电过程中的电池充电方案
碳二亚胺电极包括(1)嵌段共聚物基聚己内酯，(2)传统的非多孔碳纤维，(3)交流电
(一与二)与缺乏均匀中孔的聚丙烯腈衍生的常规碳纤维相比，聚碳纤维具有丰富的互连中孔，提供了大的离子可及表面积和快速的离子扩散
因此，PCF具有高脱盐能力和高脱盐率
(一对三)与由形状和尺寸不规则的离散碳颗粒组成的交流电相比，光子晶体光纤在垂直和平面方向提供了连续的电子和离子传导路径，有利于高速去离子
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz0906 电容去离子(CDI)在能量上有利于去离子水，但是现有方法受限于其脱盐能力和耗时的循环，这是由于离子可及表面不足和电子/离子传输缓慢
在《科学进展》的一份新报告中，刘天宇和美国弗吉尼亚理工大学化学、土木和环境工程以及纳米科学系的一个研究小组
S
证明多孔碳纤维是一种有效的碳二亚胺材料
他们从微相分离的聚(甲基丙烯酸甲酯)-嵌段-聚丙烯腈(聚甲基丙烯酸甲酯-乙-聚丙烯腈)中得到聚己内酯
所得的多孔膜保持了丰富且均匀的与微孔互连的中孔，以形成具有大的离子可及表面积和高脱盐能力的分级多孔结构
连续的碳纤维和互连的多孔网络允许快速的电子/离子传输，以保持高脱盐率
这项工作突出了基于共聚物的聚己二烯基醚的高容量和高速率的CDI的前景
淡水的日益减少和分配不均给技术和社会经济发展带来了严峻的挑战
海水淡化是一种很有前途的方法，它以巨大的海水水库为基础来解决淡水短缺问题
反渗透和热蒸馏是处理高盐浓度的海水或微咸水的广泛使用的技术，尽管当盐浓度低时，这种方法是能量密集型和昂贵的
作为一种选择，电容去离子可以通过电吸附或假电容反应来去除离子，以淡化低盐浓度的水
材料科学家使用多孔碳作为主要的CDI电极材料，因为它们具有高导电性、大表面积、可定制的结构和优异的稳定性
例子包括活性炭、石墨烯气凝胶和源自生物质的大孔碳
然而，这种材料的脱盐能力和脱盐率仍有待提高
基于微孔和大孔材料的有限性能，刘等
假设由于相互连接的分层结构，碳纤维将能够实现高脱盐率
在这项工作中，研究小组展示了多孔碳纤维作为电容去离子的优良电极材料
这里的技术创新依赖于分子水平上的碳电极前体的设计
刘等
使用嵌段共聚物通过静电纺丝、氧化、稳定化和热解生成聚己内酯
由此产生的具有丰富和均匀结构的大有效脱盐表面积通过允许快速电子传输和快速离子扩散而增强了脱盐能力
碳纤维、碳纤维和交流电的元素组成
(一)XPS调查光谱
(二)原子含量
在交流电中，“其他”包括镁和硅
氮掺杂剂的可能结构示意图
石墨氮；N-6:吡啶-N；N-5:吡咯烷-N
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aaz0906 为了设计碳二亚胺的材料，该团队研究了三种碳材料，包括基于嵌段共聚物的多孔碳纤维(具有大的离子可及表面积)
该小组还测试了工业聚丙烯腈基碳纤维和活性炭
纤维状碳和相互连接的中孔为电子和离子提供了连续有效的传输途径，同时降低了细胞脱盐的内阻，提高了脱盐率
相比之下，其他材料电吸附离子的表面积有限，脱盐率下降
该小组随后粘附了所有三种材料；印刷电路板，碳纤维和交流到镀锡铜带，并使用他们作为电极的CDI电池
使用扫描电子显微镜(SEM)图像，他们注意到三种不同材料的不同外观
基于最初的结果，他们预计PCF将呈现最高的脱盐率
结构和形态
(甲)至(丙)附着在锡带上的聚己内酯、(乙)碳纤维和(丙)丙烯酸的照片
每个电极的面积约为3
8cm×2
5厘米
摄影学分:弗吉尼亚理工大学刘天宇分校
(四到五)四氯化碳、(五)碳纤维和(六)交流电的低放大率俯视扫描电镜图像
光子晶体光纤和碳纤维是连续的纤维，而交流电是由离散的粒子组成的
(G至I)聚碳酸酯纤维、(H)碳纤维和(I)交流电的放大图
(插图)横截面图像
比例尺，100纳米
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aaz0906 科学家接下来进行了一系列实验来了解所有三种材料的化学和电学性质
在测量了表面之间的水接触角后，他们注意到交流基板的接触角很大，这代表了一个疏水(防水)界面——这是淡化水溶液所不希望的
同时，根据电化学阻抗谱和四点探针测量，在没有任何导电添加剂的情况下，聚己内酯和碳纤维材料具有高导电性
基于多种特性，包括分级多孔结构、有效表面积、高电导率和低扩散阻力，研究小组决定聚己内酯将是一种优秀的碳二亚胺电极材料
化学和电气特性
(一)光子晶体光纤、光子晶体光纤和交流电的能谱测量
浅黄色区域突出了N 1s峰
光子晶体光纤和光子晶体光纤的N 1s光谱
黑圈是实验数据
红色、绿色和蓝色虚线峰分别代表吡啶氮、吡咯氮和石墨氮
坚实的酒红色曲线是最好的搭配
氯化钠溶液(500毫克升1)在聚己内酯、碳纤维和交流电表面的静态接触角
用四点探针测量的光子晶体光纤、碳纤维和交流的电导率
插图:四点探针设置方案
误差线是基于至少五个独立测量的标准偏差(SDs)
由于颗粒间的接触电阻，交流电的电导率明显低于光子晶体光纤和碳纤维
在氯化钠溶液(500毫克升1)中用电化学阻抗谱法探测的光子晶体光纤、碳纤维和交流的钠离子扩散电阻
学分:科学进步，doi: 10
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aaz0906 他们通过在两个对称电极的锥形池中淡化两种水源，包括含氯化钠的人工微咸水和含氯化钠的合成自来水，证明了多氯联苯的去离子能力
他们用离子色谱法测定了浓度，并注意到自来水的氯化钠浓度在五次去离子循环后已降至超低浓度
刘等
在施加1的偏压下使用单循环去离子进一步量化了PCF的脱盐能力和速率
在两个PCF电极上施加0伏电压，观察盐浓度从501
2至477
5毫克/升
相比之下，在相同的偏压下，含CF和AC的CDI细胞的盐浓度仅略有下降
在30 mgNaCl gPCF 1时，聚己内酯的脱盐能力优于其他碳CDI电极，达到38mg·g-1min-1的最大脱盐率，比碳纳米管、石墨烯、CFs和其他三维多孔碳快约40倍
聚碳酸酯、碳纤维和活性炭的脱盐性能
微咸水和自来水中氯化钠的浓度
氯化钠浓度通过离子色谱法测定
(二)在含过量氯化钠溶液的CDI细胞中，细胞外基质、细胞外基质和细胞外基质的时间分辨氯化钠脱盐曲线
(三)氯化钠脱盐质量容量
(四)五氯苯酚对氯化钠、KCl、氯化镁和氯化钙去离子的重量和摩尔脱盐能力
(五)与最先进的碳电极相比，碳纤维、碳纤维和交流电的CDI Ragone图
实心和空心符号分别代表含和不含氮掺杂剂的碳电极的性能
这些值汇总在表S2中
这些线条是眼睛的向导
(六)氯化钠去离子能力聚己内酯的稳定性
误差线代表1 SD
学分:科学进步，doi: 10
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aaz0906 PCF的能耗也很低，这种多功能材料可以去除水中其他常见的阳离子，包括钾离子、镁离子和钙离子
由于CDI电池的双电层，化学反应没有改变PCF的表面，允许表面保持其脱盐能力，而没有退化的迹象或重复充放电循环后的实质性损失
通过这种方式，刘天宇和他的同事强调了基于嵌段共聚物的聚己内酯作为一种高性能的CDI电极材料，同时保持了超高的脱盐能力，超过了其他最先进的碳材料
刘等
将超高速率和高脱盐能力归功于聚己内酯的综合结构、物理和电性能
今后，刘等人
将研究聚碳酸酯的性质如何影响脱盐性能——他们预计材料的表面性质和电容去离子之间存在正相关关系
研究人员提出了额外的工程策略来设计通过连续脱盐电池的有效流量，使用光子晶体光纤来进一步提高脱盐的能力和速率
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