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近日，上海海洋大学环境功能材料及新兴污染物控制技术于飞团队，在RSC出版社旗下刊物《Journal of Materials Chemistry A》上发表了题为“V2CTx-MXene Partially Derived Hybrid VS2/V2CTx Electrode for Capacitive Deionization with Exceptional Rate and Capacity”的研究论文。
目前，全球淡水资源的供需极度不平衡，地球上直接可用的淡水资源非常有限，如何获得丰富廉价的淡水资源是一个亟需解决的问题。地球上存在着丰富的海水资源，因此，海水淡化是解决淡水资源短缺的一种有效途径。电容去离子技术（CDI）以结构简单，能耗低，可再生，系统设计灵活性强等特点满足海水淡化节能、高效、成本低廉的未来发展趋势。近期研究中，创新性提出部分衍生设计思路，通过部分衍生VS2巧妙地解决了MXene的稳定性问题，同时提高了材料的脱盐能力。多维优化简化了复杂的实验过程，为CDI的参数选择提供了新的方向。此外，VS2/V2CTx结合了电池和电容器材料的优点，平衡了脱盐过程中对能量密度和功率密度的需求。
部分衍生制备电容–电池型复合材料
本研究采用部分衍生策略，以V2C-MXene为前驱体原位生长VS2得到VS2/V2CTx复合材料。相关分析测试表明，材料呈现出手风琴状形态，衍生的VS2取代部分官能团覆盖于MXene纳米片的表面形成屏障，提高MXene的水稳定性。HF蚀刻形成的孔缺陷有助于为Na+传输提供更多通道，从而产生额外的赝电容。
多维度评价脱盐性能
基于逼近理想解排序-熵权模型（TOPSIS-Entropy Weight），根据脱盐容量、速率和能耗在不同参数下的分散程度确定每个属性的信息熵，并使用熵权模型计算每个属性对CDI效能的影响权重。首次从多维度的视角实现CDI的参数优化。
利用决策矩阵提供各参数的客观信息，经正向化和标准化处理后消除各指标量纲影响，构造评价问题的正理想解和负理想解，以此为基准，对不同操作条件下（电流密度，截止电压，入流浓度）CDI系统的脱盐容量、脱盐速率以及能耗三个指标进行多属性决策，确定最优的操作条件，实现电容去离子脱盐的参数优化。
脱盐性能及稳定性
目前，大多数过渡金属硫化物（TMD）和二维（2D）材料脱盐的截止电压在1.0至1.6 V的范围内，但截止电压似乎不是控制CDI性能的决定性因素，并且在相同截止电压下不同材料的SAC存在很大差异。然而，本研究中的VS2/V2CTx表现出比这两种材料高得多的脱盐能力，达到166.83 mg·g-1（约为同类材料的三倍），这表明TMD和2D材料的复合材料具有改善CDI性能的巨大潜力。与这些同类材料相比，VS2/V2CTx兼具电池和电容器材料的性能，解决了能量密度和功率密度之间的权衡问题，从而保持了快速脱盐率（3.67 mg·g-1·min-1）。此外，MXene用作VS2纳米片生长的衬底，确保其均匀分布，MXene优异的金属导电性在混合电极中提供了快速电子传输动力学，显著提高了CDI性能。VS2/V2CTx电极在多次恒流充放电以及脱盐循环后性能保持稳定，60次循环后SAC的保持率为90%，证明了本研究材料的稳定性和实用性。
解读脱盐机制
离子的传输特性通常通过CDI中界面处的吸附/解吸或化学反应来实现，这将导致界面处离子浓度的变化或反应物的生成，从而导致电极质量的轻微变化。基于电化学石英晶体微天平（EQCM）技术，本研究对离子迁移和存储进行了原位分析。结果表明，极质量的变化具有良好的可逆性，VS2/V2CTx电极在电化学循环周期内保持刚性膜结构。去离子的机制可能是法拉第反应（去除Na+·4H2O）和插层赝电容（去除脱溶的Na+）的结合。
作者信息
于飞，副教授，硕士生导师，中共党员，2013博士毕业于上海交通大学，师从仵彦卿教授，2018年获得上海市人才发展资金资助，2014年上海市“优秀博士论文”获得者，2011年度获得教育部国务院学位委员会“博士研究生学术新人奖”，主要从事新兴污染物污染控制与资源化；新型高效环境功能材料开发；海洋新兴污染物表界面行为研究；土壤及地下水污染修复技术。主持国家自然科学基金项目、省部级项目及国家级、省部级重点实验室开放课题十余项，以第一作者及通讯作者身份发表SCI论文100余篇，累积15篇论文入选ESI高被引/热点论文；累计总引用4000余次。申请中国发明专利20余项，其中授权8项；累计参加国内外重要国际学术会议共二十余次，多次做专题报告，担任分会场主持人，受邀在Chemosphere和Materials上撰写发表综述论文，参编Wiley-Scrivener Publishers等出版社出版的外文学术专著中有关环境材料的相关章节。长期担任国外本领域知名学术期刊审稿人，《材料导报》编审专家，新加坡维泽材料科学专家委员会成员，国家科技部科技专家库/上海市科学技术奖专家库专家，全国环境监理工程师，入选全球顶尖前10万科学家榜单，2020-2022年连续三年入选斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”。
马杰，同济大学教授，博士生导师，长期致力于电容去离子/电吸附污染控制技术和应用研究，主持4项国家自然科学基金及多项省部级课题，在Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Nano Let.、Research、Water. Res.、Environ. Sci. Technol.等期刊以第一/通讯作者发表SCI论文150余篇，ESI高被引/热点论文20篇/次，论文被引9000余次，参编英文专著3部，授权中国发明专利20项。担任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化学学报、功能材料和材料导报等期刊（青年）编委，Nanomaterials、Frontiers in Environmental Science客座编辑，中国化学会高级会员、中国有色金属学会环境保护学术委员会委员等，入选“上海市人才发展基金”、 同济大学“中青年科技领军人才”等，获河南省自然科学奖三等奖、中国化工学会基础研究成果奖二等奖等，2016-2019连续四年荣获Publons环境与生态及交叉学科领域“顶级审稿专家”荣誉，2021年担任中国环境科学学会年会《环境修复材料》分会主席，2020-2022年连续三年入选斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”。
文献链接：
https://doi.org/10.1039/D2TA06815J
供稿：感谢上海海洋大学于飞副教授团队提供论文分享供稿。
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