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用户成果|上海海洋大学于飞/同济大学马杰团队Chemical Science: 应用QCM-D研究MOF电极的电容去离子性能

来源:佰奥林(上海)贸易有限公司 更新时间:2025-02-14 15:00:14 阅读量:105
导读:本研究通过精心设计的实验,探索了不同形态的NH2-MIL-53(Al)电极材料在电容去离子(CDI)过程中的氟离子去除性能,并深入分析了其背后的机理。其中,QCM-D技术的应用为揭示氟离子吸附机制提供了关键支持。



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在当今水资源日益紧张的背景下,如何高效去除水中的有害物质,尤其是氟离子,成为了科研人员关注的焦点。氟离子过量摄入会对人体健康造成严重影响,如氟斑牙和氟骨症。因此,开发高效的氟离子去除技术具有极其重要的现实意义。近日,上海海洋大学于飞教授/同济大学马杰教授团队在《Chemical Science》上发表一篇题为“Curvature Enhanced NH2-MIL-53(Al) Electrode for Boosting Ion Diffusion and Capacitive Deionization Defluorination”的相关研究,该研究通过精心设计的实验,探索了不同形态的NH2-MIL-53(Al)电极材料在电容去离子(CDI)过程中的氟离子去除性能,并深入分析了其背后的机理。其中,QCM-D技术的应用为揭示氟离子吸附机制提供了关键支持。

背景知识:电容去离子技术与NH2-MIL-53(Al)  

电容去离子(CDI)是一种新兴的电化学水处理技术,通过在电极表面形成电双层或发生法拉第反应来吸附水中的离子,从而实现水质净化。与传统的水处理方法相比,CDI技术具有能耗低、操作简便、环境友好等优点,被认为是一种极具潜力的水处理技术。    
NH2-MIL-53(Al)是一种金属有机框架(MOF)材料,因其独特的孔隙结构和可调节的化学性质,在气体存储、分离以及电化学应用等领域展现出广阔的应用前景。在CDI领域,NH2-MIL-53(Al)电极材料的性能受到其比表面积、孔结构、化学组成以及表面曲率等多种因素的影响。通过调控这些参数,可以优化电极材料的性能,提高其对特定离子的吸附能力。

研究方法:QCM-D技术的应用  

在本研究中,QSense耗散型石英晶体微天平(QCM-D)技术被巧妙地应用于监测NH2-MIL-53(Al)电极材料在CDI过程中的质量变化。QCM-D技术基于石英晶体的压电效应,当电极材料的质量发生变化时,石英晶体的振荡频率也会相应改变。通过精确测量这种频率变化,研究人员可以实时监测电极材料在吸附和脱附氟离子过程中的质量变化,从而深入了解氟离子在电极表面的吸附行为和机制。
具体实验中,研究人员将NH2-MIL-53(Al)电极材料制备成电极浆料,并将其旋涂在5 MHz的金芯片电极上。随后,将电极连接到电化学工作站,并在10 mmol L-1的NaF溶液中进行测试。通过在不同扫描速率下进行循环伏安(CV)测试,研究人员观察到了电极质量的周期性变化,这与氟离子的吸附和脱附过程密切相关。

实验结果与分析    

实验结果显示,NCMOF-3电极材料在CDI过程中表现出优异的氟离子去除性能。其氟离子吸附容量(FAC)达到了61.29 mgNaF gelectrodes-1)氟离子去除速率为8.78 mgNaF gelectrodes-1 min-1,且在经过10000次充放电循环后,电极性能依然保持稳定。这些结果表明,NCMOF-3电极材料具有高效的氟离子去除能力和良好的循环稳定性。    
通过QCM-D技术监测到的质量变化为揭示氟离子吸附机制提供了重要线索。在充电过程中,电极质量的增加表明氟离子被吸附到NCMOF-3电极表面;而在放电过程中,电极质量的减少则表明氟离子从电极表面脱附。这种质量变化的可逆性进一步证实了NCMOF-3电极材料在氟离子吸附和脱附过程中的稳定性和可重复使用性。
此外,研究人员还通过XPS(X射线光电子能谱)分析了NCMOF-3电极材料在吸附氟离子前后的表面化学状态变化。结果表明,氟离子的吸附导致了电极表面氮元素的质子化程度增加,同时伴随着羟基(-OH)的减少和铝-氟(Al-F)键的形成。这些化学变化与QCM-D监测到的质量变化相互印证,揭示了氟离子在NCMOF-3电极表面的吸附机制,即氟离子通过与电极表面的氮原子和铝原子发生静电相互作用和配位交换反应而被吸附。

结论与展望  

本研究通过巧妙地结合QCM-D技术和XPS分析,深入探究了NH2-MIL-53(Al)电极材料在电容去离子过程中的氟离子去除性能和机制。研究结果不仅为设计和开发高性能CDI电极材料提供了重要的理论依据,而且也为QCM-D技术在电化学水处理领域的应用开辟了新的思路。未来,随着对电极材料表面化学和离子吸附机制的进一步深入研究,有望开发出更加高效、稳定且具有实际应用价值的CDI技术,为解决全球水资源短缺和水污染问题做出更大贡献。    
总之,QCM-D技术在本研究中发挥了不可或缺的作用,它不仅为监测氟离子吸附过程提供了实时、精确的质量变化信息,而且为理解氟离子在电极表面的吸附行为和机制提供了关键证据。这一研究的成功案例充分展示了QCM-D技术在电化学水处理领域的巨大潜力和应用前景。
基金支持  
本研究得到了国家自然科学基金、喀什大学创新研究团队资助


原文链接  

https://doi.org/10.1039/D4SC08020C

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瑞典科技简介

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产品目录:

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