百人团队研制用于高效CDI脱盐的生物质衍生氮掺杂多孔碳

　　固体所环境与能源纳米材料中心在生物质衍生氮掺杂多孔碳作为多功能电极材料在金属锌-空电池自驱动脱盐应用研究方面取得重要进展，相关研究发表在Chemical Engineering Journal (Chem. Eng. J. 334, 1270-1280 (2018))上。

(a) NPC-800组装的锌-空电池的开路电压 (插图为点亮的LED灯模型)；(b) NPC-800组装的锌-空电池在不同电流密度的放电曲线和放电功率曲线；(c) 自制的锌-空电池自供电CDI装置脱盐的照片；(d) 锌-空电池驱动S-NPC 组装的 CDI 装置脱盐的循环稳定性

　　随着全球人口的快速增长和水污染的加剧，淡水资源短缺日益引起人们的高度关注和重视。海水/苦咸水大约占地球上水资源总量的98%，所以对海水/苦咸水进行脱盐处理是一种可行且有效的获取淡水资源的方法。目前，常用的脱盐方法包括反渗透、热蒸发、电渗析和电容去离子(Capacitive Deionization, CDI)等。其中，电容去离子(CDI)技术利用在电极材料表面形成的双电层来吸附水中带电荷离子，从而达到盐水淡化的目的。此技术不会造成二次污染且具有低能耗、低投资、低运行成本的优越性，还可利用可再生能源如太阳能、风能等进行驱动，是海水/苦咸水脱盐获取淡水资源的理想技术。然而当前广泛使用的高效碳基CDI电极材料主要通过传统化石燃料衍生物制备，无疑提高了其大规模生产应用的成本。

　　为此，本课题选择丰富、廉价、可再生的、含天然氮元素的豆荚作为原料，通过KHCO3辅助活化热解的方法制备出具有多级开放孔结构的氮掺杂碳材料(N-doped Porous Carbon, NPC)。再将所得的氮掺杂多孔碳材料进一步进行磺化处理，得到磺酸功能化的多孔碳材料(S-NPC)。通过将所制备的S-NPC与氨化的活性碳(A-AC)分别作为电极材料组装成CDI装置，并用于脱盐实验。研究结果表明，对于40 mg L-1 NaCl溶液，驱动电压为1.2V时，平均盐离子吸附量达到 15.5 mg g-1，平均吸附速率为0.44 mg g-1 min-1。与其它碳材料相比，S-NPC展示出更加优异的吸附性能，主要归因于其高的比表面积(844.0 m2 g-1)、多级开放孔结构及其表面功能化的磺酸基官能团协同作用。进一步改变NaCl溶液浓度为100，300，500和1000 mg L-1时，相应的电容吸附量分别为 27.8，28.4，36.6 和43.3 mg g-1，表明生物质衍生的碳作为CDI电极材料具有很好的应用前景。同时由于所制备NPC材料实现了异原子(如氮)的掺杂，因此其还展示出优异的氧还原反应(ORR)性能，以其作为阴极催化剂构建的金属锌-空电池输出电压可达1.28V，基于此，将金属锌-空电池与CDI体系有机整合，利用锌-空电池供电实现了高效CDI脱盐应用(如图1所示)。此研究工作为将来能源整合的CDI脱盐技术的实际应用提供重要的理论依据。

　　该研究工作得到国家重点研发计划，国家自然科学基金及科学院百人计划项目支持。