近日，浙江海洋大学海洋科学与技术学院海水资源利用研究团队在国际顶级学术期刊上发表两篇高水平文章。2023年3月，在能源材料领域顶级学术期刊《Energy & Environmental Science》（IF: 39.714）发表题为“Metal-Organic Framework Derivatives for Promoted Capacitive Deionization of Oxygenated Saline Water”的文章，徐兴涛教授为该论文的第一作者和通讯作者。4月，徐兴涛教授作为通讯作者又在美国化学会（ACS）旗舰刊、化学领域顶级学术期刊《Journal of the American Chemical Society》（IF:16.383）发表题为“Unlocking Enhanced Capacitive Deionization of NaTi2(PO4)3/Carbon Materials by the Yolk−Shell Design”的研究成果。昆士兰大学教授、名古屋大学杰出特聘教授Yusuke Yamauchi为两篇论文的共同通讯作者。
使用多孔材料的电容去离子（CDI）是一种可持续提供廉价淡水的方法（图1），但是基准碳材料的低盐吸附容量和差的循环稳定性显著限制了实际应用。针对这一问题，金属-有机骨架（MOF）衍生物，例如热解碳、热解含金属碳和MOF基杂化物，已经被设计为常规使用的碳材料的替代物。在第一项研究成果（https://doi.org/10.1039/D2EE03530H）中，研究团队针对碳基材料在充氧盐水中CDI稳定性差的瓶颈问题，系统探讨了MOF衍生物增强CDI过程盐吸附容量和循环稳定性的思路与进展（图2）。最后，对CDI的发展前景，特别是MOF衍生物作为新兴的先进电极材料来提高含氧（天然）盐水中的CDI性能的可能性进行了探讨。在第二项研究成果（https://doi.org/10.1021/jacs.3c01755）中，研究团队基于MOF衍生策略设计了一种具有蛋壳结构的碳包NaTi2(PO4)3材料，实现了CDI性能的巨大突破。理论模拟结果表明，蛋壳结构间隙有利于CDI过程中的离子传质与浓度聚集，这是材料取得优越CDI性能的重要原因。研究成果对高性能CDI材料的结构设计提供了新的思路。（作者：杨婧灵 编辑：杨潇航）
图1、Web-of-Science中过去20年使用关键词“capacitive deionization”或“electrosportion”的出版物和引文记录（截至2023年2月）。
图2、CDI的主要局限性和使用MOF衍生物的解决方案。a，在CDI长期循环过程中常规碳材料性能劣化原因。b-c，MOF衍生物合成路线，其中b）是制备碳和含金属碳的MOF热解方法，c）是使用导电剂制备MOF基杂化物的无热解方法。d，使用MOF衍生物提高CDI性能的数据统计。
图3、碳包NaTi2(PO4)3材料蛋壳结构的设计。a，设计示意图。b-d，对应转换阶段的材料透射电子图像。
该项目获得了国家自然科学基金、日本学术振兴会研究员项目和“JST-ERATO山内材料空间构造计划“的支持。
