化学院熊英教授团队的“na2ti3o7纳米颗粒锚定类中空红细胞氮掺杂碳用于高效电容去离子”工作在《chemical science》发文-凯发k8国际官方网站

在淡水需求量日益增长的市场需求下，电容去离子（cdi）技术凭借其经济绿色的优势，逐渐成为传统淡化海（苦咸）水技术的替代品。cdi技术的核心部分是电极材料。近年来，二次电池材料因其法拉第储钠原理受到广泛关注，其中钛基材料凭借其储量丰富、理论容量高、绿色经济等优点有望进一步提升cdi脱盐性能。但是在实验过程中发现，钛基材料较低的导电性导致了其电化学性能不佳，也直接影响了其脱盐性能，同时循环稳定性较差。因此，开发有效策略来提高钛基材料的导电性和和离子传输动力学尤为重要。

近日，辽宁大学熊英教授课题组采用具有类蛋糕结构的nh₂-mil-125模板结合选择性刻蚀技术制备了一种na₂ti₃o₇纳米颗粒锚定类中空红细胞氮掺杂碳（rhna₂ti₃o₇/n-c-60），作为cdi的阴极电极材料以实现有效提高钛基材料低导电性问题并提升钛基材料的脱盐性能的目的。相关成果以标题为“in situ anchor of na₂ti₃o₇ in nitrogen-rich carbon hollow red blood cell-like structure as a 0d-3d hierarchical electrode material for efficient electrochemical desalination”发表在rsc旗舰刊《chemical science》上，化学类一区top期刊，并被收录于from the themed collection: , 2022（doi:）。文章第一作者为辽宁大学博士生张莹莹，通讯作者熊英教授。

亮点一：mofs选择性刻蚀与热处理法以及碱化法的使用

如图1所示，首先制备类蛋糕状nh₂-mil-125，然后在150℃与单宁酸（pt）进行水热反应。pt分子附着在饼状类蛋糕状nh₂-mil-125的表面，同时pt释放的自由质子进入类蛋糕状nh₂-mil-125的中心区域并破坏弱的ti-o键合。因此，pt选择性刻蚀类蛋糕状nh₂-mil-125的内部结构，通过优化刻蚀时间（60 min）获得类中空红细胞状nh₂-mil-125-60（图2）。然后通过连续的热解和碱化反应制备rhna₂ti₃o₇/n-c-60，从而获得rhna₂ti₃o₇/n-c-60。

亮点二：rhna₂ti₃o₇/n-c-60阴极电极材料在cdi中的出色脱盐量和稳定性

如图3所示，当与银锚定的还原氧化石墨烯（ag@rgo）组装成脱盐电池型cdi装置时，rhna₂ti₃o₇/n-c-60的脱盐量高达66.8 mg·g^-1，并且经过20次循环仍然具有高达95%的脱盐量。中空红细胞结构rhna₂ti₃o₇/n-c-60在cdi过程中优异脱盐性能归因于以下几个原因：（1）氮元素掺杂不仅提高了多孔碳材料的导电性，并作为缺陷提供额外的钠离子存储位点。同时氮掺杂多孔碳的氮原子可以为钛酸钠提供电子，有利于降低钠离子吸附的能垒，从而提高材料储钠活性；（2）mofs材料原位碳化能形成多孔结构，更容易增加有效活性位点数目；（3）中空红细胞结构不仅增强材料的体积密度，而且可以有效缓解材料循环过程中体积变化，增强材料储钠容量以及稳定性；（4）钛酸钠在氮掺杂多孔碳上的分散及其强相互作用，有利于增强材料的电子传输速度。

这项工作为电化学去离子引入了一种出色的高性能电极候选物，并为构建具有中空红细胞结构的复合材料提供了参考。

该工作得到了国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、辽宁省教育厅、科技厅等科研基金的支持。

原文链接：

第一作者张莹莹，2017-2021年，辽宁大学化学院硕博连读研究生。

通讯作者：熊英，三级教授，博士生导师。现任辽宁大学化学院副院长，无机化学研究所所长，辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才，辽宁省“百千万人才工程”百人层次，辽宁省教学名师，辽宁省高等学校科技优秀人才，沈阳市“领军人才”兼任生物基功能大分子材料与技术专业委员会副主任委员，全国材料新技术发展研究会常务理事，中国有色金属学会冶金反应工程学专业委员会委员，中国有色金属学会有色冶金资源综合利用专业委员会委员，辽宁省侨联新侨创新创业联盟专家，沈阳市归国华侨联合会特聘专家委员会委员，辽宁省化学类专业教学指导委员会委员等。申请人一直从事稀散、稀土元素分离与功能材料的研究工作，在adv. funct. mater.，j. mater. chem. a，j. hazard. mater.，bioresource technol.，chem. eng. j.等在本领域有较强影响力的国际期刊上发表论文90余篇。主持国家自然科学基金3项，及其他省部级项目12项。荣获第十一届辽宁青年科技奖”，辽宁省自然科学奖二等奖1项，辽宁省科学技术发明奖二等奖1项，辽宁省科技进步三等奖1项，其他政府科技奖3项，辽宁省自然科学学术成果奖10项，省级成果转化项目2项。授权国家发明专利20余项。出版学术专著《稀散金属溶剂萃取分离化学》等3部。主要研究领域为生物质基吸附材料的制备及在稀散、稀土提取中的应用；硅基、碳基吸附材料制备及在环境、湿法冶金方面的应用；稀散金属分离机制及功能材料制备；新能源材料制备等。