電容去離子法具有高效、低環境污染、低能耗等優點，被認為是解決淡水短缺問題的有效方法。然而，開發先進的電極材料來提高電容去離子化性能仍然是一個挑戰。本文將Lewis酸性熔鹽蝕刻和電偶取代反應相結合，成功制備了分級鉍納米片(Bi-ene NSs)@MXene異質結構，實現了熔鹽蝕刻副產物的有效利用。垂直排列的鉍納米片均勻地原位生長在MXene表面，不僅促進了離子和電子的傳遞，提供了豐富的活性位點，而且提供了鉍與MXene之間強烈的界面相互作用。綜上所述，Bi-ene NSs@MXene異質結構作為一種極具前景的電容去離子化電極材料，具有較高的海水淡化容量(在1.2 V時為88.2 mg/g)、快速的海水淡化速率和良好的長期循環性能。通過系統表征和密度泛函理論計算，闡述了所涉及的機制。這項工作為基于MXene的異質結構的制備及其在電容去離子化中的應用提供了啟發。
圖1. 雙烯NSs@MXene異質結構制備原理。
圖2 (a) Cu@MXene、純MXene和Bi-ene NSs@MXene異質結構的XRD圖譜。(b)純MXene和Bi-ene NSs@MXene異質結構的拉曼光譜。(c) Bi-ene NSs@MXene異質結構的高分辨率Ti 2p和(d) Bi 4f XPS光譜。
圖3. (a, b)典型的SEM圖像，(c, d) TEM圖像和(e−g) HAADF-STEM圖像以及Biene NSs@MXene異質結構的相應元素映射。
圖4 (a)雙烯NSs@MXene異質結構和本體鉍在2 mV/s下的CV曲線。(b) Bi-ene NSs@ MXene異質結構和本體鉍的奈奎斯特圖。(c) CV曲線和(d)不同掃描速率下雙烯NSs@MXene異質結構的電容貢獻。
圖5 (a)電導率瞬變，(b)相應的海水淡化能力瞬變，(c) 1.2 v時Bi-ene NSs@MXene異質結構和體積鉍的海水淡化速率瞬變。(d) Bi-ene NSs@MXene異質結構和其他HCDI系統的Kim−Yoon−Ragone圖。(e)在各種恒定電位下，雙烯NSs@MXene異質結構和散裝鉍的淡化能力。(f)雙烯NSs@MXene異質結構在1.2 V下的循環穩定性測試。
圖6 (a)在海水淡化過程中帶電/放電狀態下的Bi-ene NSs@MXene異質結構的XRD分析。(b)雙烯NSs@MXene異質結構在帶電/放電狀態下的高分辨率Bi 4f光譜。(c)以雙烯NSs@MXene異質結構作為負電極的組裝HCDI系統的示意圖。
圖7 (a)雙烯NSs@MXene異質結構和本體鉍的總和部分態密度(DOS)。(b)雙烯NSs@MXene異質結構的差異電荷密度。電荷的積累和消耗分別用淺黃色和藍色表示。(c)氯離子在雙烯NSs@MXene異質結構和本體鉍表面的擴散路徑示意圖。(d) Cl
−對應的雙烯NSs@MXene異質結構和本體鉍的擴散能壘產物。
相關科研成果由河北工業大學化學工程與技術學院Jiapeng Liu等人2023年發表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11430)上。原文：Vertically Aligned Bismuthene Nanosheets on MXene for High-Performance Capacitive Deionization。
轉自《石墨烯研究》公眾號
