同濟(jì)大學(xué)馬杰教授團(tuán)隊(duì)EESUS：磷酸功能化多孔PZN@CF納米片實(shí)現(xiàn)高效電化學(xué)脫氯

第一作者：王俊策

通訊作者：馬杰

通訊單位：同濟(jì)大學(xué)

本文亮點(diǎn)

1、提出了缺陷工程與結(jié)構(gòu)調(diào)控協(xié)同優(yōu)化的新策略，克服了傳統(tǒng)過(guò)渡金屬氫氧化物電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢的瓶頸。

2、通過(guò)Kirkendall效應(yīng)誘導(dǎo)蝕刻構(gòu)建了分級(jí)多孔納米片陣列，顯著縮短了離子傳輸路徑。

3、磷酸根表面功能化成功引入富磷缺陷，形成高活性P-O-Zn/Ni界面，大幅提升了電荷存儲(chǔ)容量與Cl?吸附動(dòng)力學(xué)。

4、該電極在1.6 V電壓下實(shí)現(xiàn)了151.23 mg g?1的超高脫氯容量和6.07 mg g?1·min?1的快速吸附速率，性能位居報(bào)道材料前列。

5、DFT理論計(jì)算證實(shí)，磷酸功能化通過(guò)調(diào)控d帶中心，有效降低了Cl?的吸附能壘。

內(nèi)容導(dǎo)讀

由于過(guò)渡金屬氫氧化物（TMH）電極的離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)慢，表面反應(yīng)性差，存在著脫鹽能力低、脫鹽速率低等問(wèn)題。與傳統(tǒng)的單純擴(kuò)大比表面積的改性策略不同，缺陷工程與結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化策略可以有效地解決上述挑戰(zhàn)。同濟(jì)大學(xué)馬杰教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了磷酸鹽功能化多孔氧化鋅納米片陣列電極（PZN@CF）。利用Kirkendall效應(yīng)誘導(dǎo)的定向蝕刻技術(shù)構(gòu)建了分層多孔結(jié)構(gòu)以縮短離子輸運(yùn)路徑。同時(shí)，通過(guò)磷酸離子表面修飾引入富磷酸缺陷位點(diǎn)，形成高活性的P-O-Zn/Ni鍵合界面，顯著提高了電極的電荷存儲(chǔ)能力和Cl -?的吸附動(dòng)力學(xué)。該電極材料具有高比表面積（35.873 m2g-1）（增加4-9倍）和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，具有263 mA m-2的超高比容量。PZN@CF的CDI體系在1.6 V下的去除率為151.23 mg g-1，去除率為6.07 mg g-1·min-1。該策略策略可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他層狀金屬化合物的修飾，通過(guò)特定的官能團(tuán)定向修飾，以實(shí)現(xiàn)“缺陷-活性-穩(wěn)定性”的精確平衡，為設(shè)計(jì)高選擇性離子捕獲材料提供了一條共同的途徑。

背景介紹

隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的加速，水體中氯離子污染日益嚴(yán)重。主流的脫氯技術(shù)如反滲透、電化學(xué)沉積等存在能耗高、易產(chǎn)生二次污染、選擇性差或運(yùn)行成本高等問(wèn)題。電容去離子技術(shù)因其低能耗、環(huán)境友好和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，但其性能高度依賴于電極材料的電荷存儲(chǔ)能力和離子傳輸動(dòng)力學(xué)。因此，開(kāi)發(fā)兼具高容量與快速響應(yīng)特性的新型電極材料成為該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

圖文解析

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)水熱法在預(yù)處理過(guò)的碳?xì)稚仙L(zhǎng)了葉片狀的ZnNiOH前驅(qū)體，隨后利用NaH?PO?·H?O在惰性氣氛下進(jìn)行磷酸化處理，成功制備了磷酸功能化的PZN@CF電極。SEM圖像清晰顯示，原始的ZnNiOH@CF呈現(xiàn)出均勻覆蓋在碳纖維表面的二維納米片結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)磷酸化處理后，PZN@CF的納米片表面和邊緣出現(xiàn)了更多的缺陷和孔隙，形成了更精細(xì)的顆粒狀晶體和重構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)。

XRD與XPS分析證明了磷酸鹽的成功引入以及P-O-Zn/Ni鍵合結(jié)構(gòu)的形成。氮?dú)馕摳綔y(cè)試表明，PZN@CF具有最大的比表面積（35.873 m2 g?1）和最豐富的微介孔結(jié)構(gòu)，這為離子吸附提供了更多的活性位點(diǎn)和更短的傳輸路徑。

電化學(xué)測(cè)試表明，PZN@CF電極表現(xiàn)出優(yōu)異的贗電容行為和倍率性能。其CV曲線呈現(xiàn)類(lèi)矩形，GCD曲線無(wú)明顯的電壓平臺(tái)，表明其電荷存儲(chǔ)以表面吸附為主導(dǎo)。與ZnNiOH@CF前驅(qū)體相比，PZN@CF具有更高的比電容和更低的電荷轉(zhuǎn)移電阻，體現(xiàn)了磷酸功能化對(duì)電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的顯著提升。

在混合CDI脫氯測(cè)試中，PZN@CF電極展現(xiàn)出卓越的性能：高吸附容量：在1.6 V電壓下，對(duì)NaCl的吸附容量高達(dá) 151.23 mg g?1。快速吸附速率：其吸附速率可達(dá) 6.07 mg g?1·min?1。低能耗：在1.2 V下，其單位吸附能耗低至 1.12 kWh kg?1。性能領(lǐng)先：CDI Ragone圖顯示，其綜合脫氯性能優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的電極材料。

為了深入理解性能提升的內(nèi)在機(jī)理，研究者進(jìn)行了密度泛函理論計(jì)算。結(jié)果表明，磷酸功能化后形成的PZN結(jié)構(gòu)，其d帶中心（-2.976 eV）相較于ZnNiOH（-3.743 eV）更靠近費(fèi)米能級(jí)，增強(qiáng)了對(duì)Cl?的吸附能力。同時(shí)，Cl?在PZN上的吸附能（-1.749 eV）遠(yuǎn)低于在ZnNiOH上的吸附能（-0.311 eV），且差分電荷密度顯示二者之間存在更強(qiáng)的電子相互作用。這從理論上證實(shí)了磷酸功能化通過(guò)優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，有效降低了Cl?的吸附能壘，從而實(shí)現(xiàn)了高容量、穩(wěn)定的脫氯性能。

總結(jié)與展望

本研究成功通過(guò)缺陷工程與結(jié)構(gòu)調(diào)控的協(xié)同策略，設(shè)計(jì)并制備了磷酸功能化的分級(jí)多孔PZN@CF電極。該電極兼具高比表面積、豐富的活性位點(diǎn)和優(yōu)化的電子結(jié)構(gòu)，在電容脫氯中表現(xiàn)出超高容量、快速動(dòng)力學(xué)和優(yōu)異穩(wěn)定性。該工作不僅為開(kāi)發(fā)高效CDI電極材料提供了新的設(shè)計(jì)思路，也揭示了通過(guò)特定官能團(tuán)定向修飾以實(shí)現(xiàn)“缺陷-活性-穩(wěn)定性”精準(zhǔn)調(diào)控的普適性路徑，有望推廣至其他高性能離子捕獲材料的設(shè)計(jì)中。

第一作者信息

王俊策，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2025屆碩士畢業(yè)生，現(xiàn)于南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院攻讀博士學(xué)位。碩士期間主要開(kāi)展MXene衍生陽(yáng)極材料的構(gòu)建及其在電化學(xué)捕獲/降解砷氟污染物中的應(yīng)用研究。相關(guān)成果發(fā)表于Advanced Science, Chemical Engineering Journal, Angewandte Chemie International Edition, Energy & Environmental Sustainability等期刊，曾獲得研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、本科生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、重慶市優(yōu)秀本科畢業(yè)生、重慶市優(yōu)秀畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）等榮譽(yù)稱號(hào)。

通訊作者信息

馬杰，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，中組部第十一批上海援疆干部，長(zhǎng)期致力于電容去離子分離技術(shù)和應(yīng)用研究，新疆天山創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，主持5項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金，在Nat. Water, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano Let., Research, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文250余篇，ESI高被引/熱點(diǎn)論文31篇/次，論文總他引15000次（WOS），主編《環(huán)境材料概論》，參編英文專(zhuān)著3部，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利20項(xiàng)。擔(dān)任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化學(xué)學(xué)報(bào)等期刊編委，新疆地震學(xué)會(huì)副理長(zhǎng)，新疆碳納米材料制備與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，新疆工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，，新疆節(jié)能減排專(zhuān)家委員會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，中國(guó)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)環(huán)境保護(hù)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等，入選“上海市東方英才計(jì)劃拔尖項(xiàng)目”，“新疆杰出青年基金”，“上海市人才發(fā)展基金”、同濟(jì)大學(xué)“中青年科技領(lǐng)軍人才”和“百人計(jì)劃”等，獲上海市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（1/5），河南省自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、中國(guó)化工學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等，擔(dān)任中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)《環(huán)境修復(fù)材料》分會(huì)主席，中國(guó)材料大會(huì)《環(huán)境分離凈化材料與技術(shù)》分會(huì)主席，中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)《環(huán)境分離凈化材料》分會(huì)主席，入選 “高被引科學(xué)家”，“中國(guó)高被引學(xué)者”和“全球前2%頂尖科學(xué)家榜單”。

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