近日，化學(xué)化工學(xué)院（省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）羅民教授負(fù)責(zé)的能源和環(huán)境材料研究團(tuán)隊(duì)，在電化學(xué)鹽水淡化研究方面取得重要研究進(jìn)展。研究成果在線發(fā)表在美國(guó)ACS數(shù)據(jù)庫(kù)國(guó)際可持續(xù)化學(xué)與工程領(lǐng)域Top期刊《ACSSustainable Chem. Eng》（一區(qū)，ImpactFactor 2018: 6.97）。論文題目：“MoreCa2+ less Na+: increase the desalination capacity andperformance stability of NaxCayCoO2”；DOI：10.1021/acssuschemeng.9b02157.寧夏大學(xué)羅民教授為本文的通訊作者，2018級(jí)水資源利用與化學(xué)化工博士研究生周瑞娟同學(xué)為論文第一作者。
水資源短缺和水環(huán)境的污染是困擾社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題，而海水淡化技術(shù)則為解決水資源難題提供了有效的解決方案。反滲透、閃蒸法和電滲析等方法是目前常用的水處理技術(shù)，這些方法普遍存在高成本、高能耗和二次污染的問題。因此發(fā)展低成本，低能耗和高效率的水處理技術(shù)勢(shì)在必行。
電化學(xué)去離子（electrochemicaldeionization，EDI）是一種從水溶液中脫除可溶性帶電離子的新興技術(shù)方法。作為一種低能耗，環(huán)境友好的脫鹽技術(shù)受到關(guān)注，并在苦咸水淡化、海水脫鹽、廢水治理、高附加值離子的提取和有害離子的脫除等方面有潛在的應(yīng)用前景。脫鹽電池（FDI）是一種新型的脫鹽技術(shù)，通過輸入電能，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)（法拉第反應(yīng)）而提取鹽溶液中的鈉離子和氯離子，達(dá)到脫鹽淡化之目的。然后再通過放電過程（兩電極短接或反向施加電壓）釋放離子到濃鹽水中，同時(shí)回收部分能量。
近年來，二維層狀納米科學(xué)和技術(shù)的迅猛發(fā)展為開發(fā)新型脫鹽電極材料提供了契機(jī)。該課題組通過溶膠凝膠法（Sol-Gel）在層狀鈷酸鈉脫鹽電極材料的鈷氧層板間化學(xué)摻雜引入Ca2+摻雜，調(diào)控Co3+/Co4+的比例和氧空位的含量。隨鈣摻雜含量增加，Co3+/Co4+逐漸增加，導(dǎo)致不穩(wěn)定的Co4+向Co3+弛豫時(shí)產(chǎn)生豐富的氧空位。進(jìn)而通過化學(xué)氧化法，從層間脫出Na+，同時(shí)在層間引入結(jié)構(gòu)水分子，得到了摻鈣脫鈉的水合物電極材料。通過調(diào)控鈣離子和鈉離子的含量，脫鹽電極的脫鹽性能得到了很大的提高。Na0.27Ca0.03CoO2?0.6H2O的脫鹽容量達(dá)到了83.5 ±2.4 mgg-1，法拉第效率接近100%，脫鹽循環(huán)50次沒有明顯的衰減。研究表明，由于豐富的氧空位改善了材料的導(dǎo)電性能，而鈣離子在層間起到了穩(wěn)定層板結(jié)構(gòu)的作用，因而實(shí)現(xiàn)了高脫鹽量和高循環(huán)穩(wěn)定性能。本文還通過電化學(xué)石英晶體微天平原位深入研究了水合離子在層間脫嵌的微觀機(jī)理。該研究成果推動(dòng)了脫鹽電池在高濃度鹽水脫鹽和水資源的重復(fù)利用中的應(yīng)用。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（Nos.21561026, 21361020）和“化學(xué)工程與技術(shù)”一流學(xué)科“煤基儲(chǔ)能與光電催化材料”科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(GrantNo. NXY-LXK2017A04)項(xiàng)目資助。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b02157
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