近年來，有機材料作為電吸附技術中法拉第電極的有前途的候選材料引起了人們的極大興趣。與許多含有重金屬或對生態有害元素的無機物不同，有機化合物具有原料資源豐富，可再生且結構多樣性等優點。更吸引人的是，有機化合物固有的贗電容反應可以透過與官能團的配位有效地捕獲鹽離子，且不發生任何相變，有利於脫鹽過程。儘管具有這些令人驚訝的特性，但有機化合物在電容去離子裝置中的應用仍處於起步階段，因為它們在捕獲離子方面的活性位點不足，並且在水溶液中具有一定程度的溶解度，這可能會影響脫鹽能力和脫鹽再生效能。
為了解決這一問題，江蘇科技大學研究團隊創造性地提出了一種含有多種活性位點的剛性有機聚合物（PNDS）用於增強贗電容去離子效能。一方面，PNDS聚合物中含有豐富的C=N和C=O官能團作為氧化還原位點，促進了大量的贗電容反應。另一方面，構建的具有增強芳香性的剛性骨架確保了PNDS聚合物在水溶液中具有優異的氧化還原穩定性。基於這種贗電容PNDS聚合物，構建的電容去離子裝置具有卓越的鹽吸附容量（66.4 mg g−1），快速的時間平均脫鹽率（2.2 mg g−1 min−1）和穩定的再生效能，突出了其在微鹹水和鹹水的高效脫鹽方面的巨大前景。該研究以題為 "High-Efficiency Electrochemical Desalination: The Role of a Rigid Pseudocapacitive Polymer Electrode with Diverse Active Sites" 的論文發表在《Advanced Functional Materials》,論文第一作者是研三的陶月姮同學。
【材料特徵】
圖1. PNDS聚合物的結構表徵。
作者透過SEM、solid-state 13C NMR、TG、XRD等表徵證實了所需PNDS聚合物的有效合成，且其層間的π-π相互作用保證了PNDS聚合物較高的結構完整性。值得注意的是，PNDS聚合物的Eg值較小，從而促進了PNDS聚合物中的電荷轉移和氧化還原反應，降低了動力學勢壘。
【電吸附行為和動力學特性】
圖2. PNDS電極的贗電容效能。
圖3. PNDS電極的動力學分析。
作為電極材料，PNDS聚合物在1 A g−1下具有高達390 F g−1的贗電容容量，確保了出色的Na+捕獲能力。透過EIS、LOL-、LUMO-HOMO等分析共同證明了PNDS電極的快速電荷轉移和增強的氧化還原活性。
【電化學穩定性和機理探究】
圖4. PNDS電極的理論計算和電化學機理。
PNDS電極具有良好的迴圈穩定性，可在水溶液中重複捕獲Na+。經過5000次迴圈後，PNDS電極仍具有高達96.3%的迴圈保持率。原位Raman和理論計算表明，PNDS聚合物中亞胺部分（C=N↔C−N−Na）和羰基部分（C=O↔C−O−Na）在整個Na+吸附和解吸過程中所表現出的高氧化還原可逆性。
【脫鹽效能】
圖5. PNDS//AC HCDI裝置的脫鹽行為。
為了充分利用氧化還原過程產生的大量電化學容量，將具有優越Na+捕獲能力的贗電容PNDS聚合物電極與具有高Cl − 吸收的商用活性炭（AC）相結合，構建了不對稱的電容去離子裝置。該裝置在1.2V下展現出卓越的除鹽能力（66.4 mg g−1），出色的平均脫鹽速率（2.2 mg g−1 min−1）和令人印象深刻的迴圈再生效能。
總結：作者合成了一種具有最佳化電子結構的剛性贗電容聚合物（PNDS），用於高效的電化學脫鹽。這種聚合物具有多個氧化還原活性位點（C=N和C=O）、高電子離域和整體分子芳香性。此外，原位Raman和原位UV-vis等原位動態分析表明，PNDS聚合物具有高度可逆和充分的贗電容反應，可以有效捕獲Na+，並且在迴圈過程中具有優異的結構穩定性。
原文連結：https://doi.org/10.1002/adfm.202414805
來源：高分子科學前沿
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