河海大学《Mater.Horiz.》：MOF基导电结构用作CDI电极 实现脱盐性能大幅提升

苦咸水淡化，是应对全球水危机的重要途径，其关键在于开发高效脱盐技术。而电容去离子（Capacitive deionization,CDI）技术在苦咸水淡化处理中表现出水利用率高、能耗低、再生简单、无二次污染等明显优势。但受限于传统CDI多孔碳电极不规则孔结构问题，电极孔隙利用率极低，实际脱盐性能极差，严重制约了CDI技术的实际应用推广。

由河海大学杨涛教授（通讯作者）、徐兴涛教授（通讯作者）及昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授（通讯作者）指导的联合研究团队通过利用具有规则孔结构的金属-有机框架（Metal-organic frameworks, MOFs）导电结构作为新型CDI电极材料，实现CDI器件脱盐及稳定性能的大幅增强。相关研究成果近日被国际顶级期刊Material Horizons接收，题名为“Nanoarchitectured Metal‒Organic Framework/Polypyrrole Hybrids for Brackish Water Desalination Using Capacitive Deionization”，并被推荐为Back Cover。

团队首次报道了MOF基CDI电极的制备及其在苦咸水淡化中的应用，其成果弥补了国内外在相关领域的研究空白。团队通过利用导电聚合物复合MOFs材料，实现对MOFs材料导电性的有效调控。以ZIF-67为例，团队通过利用聚吡咯（Polypyrrole, PPy）纳米管作为基底原位生长ZIF-67纳米颗粒，实现了ZIF-67/PPy导电结构的可控制备，具体过程如图1所示。图2的电镜表征结果进一步显示，PPy纳米管作为电子传输桥梁，交织并贯穿于分散良好的ZIF-67多面体，形成ZIF-67/PPy导电结构。

图1ZIF-67/PPy导电结构的合成流程图

图2 ZIF-67/PPy导电结构的 HAADF-STEM图像

图3所示的电化学测试结果表明，ZIF-67/PPy导电结构具有更高的比容量与更低的电荷转移电阻，预示着其具有更好的脱盐性能。通过进一步的CDI脱盐测试验证（如图4所示），ZIF-67/PPy导电结构表现出更优异的脱盐能力，其脱盐容量约为11.34 mg_NaCl g^-1，远远超过PPy纳米管（6.92 mg _NaCl g ^-1）和纯 ZIF-67（3.82 mg_NaCl g^-1）。

图3 电化学测试结果

图4 CDI脱盐测试结果

本研究突破了MOFs材料在CDI电极领域的应用瓶颈，标志着新一代高脱盐性能CDI电极的出现。其研究成果不仅弥补了相关技术领域的研究空白，更是对解决我国淡水资源短缺问题、保障农村饮水安全具有重要的理论意义及应用价值。

文章链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/mh/c9mh00306a/unauth#!divAbstract

来源：高分子科学前沿

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