La déionisation capacitive (CDI) est énergétiquement favorable à la déionisation de l'eau, mais les méthodes existantes sont limitées par leurs capacités de dessalement et des cycles longs dus à des surfaces accessibles aux ions insuffisantes et à un transport électron/ion lent. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Tianyu Liu et une équipe de recherche dans les départements de chimie, génie civil et environnemental, et nanosciences à Virginia Tech, NOUS., a démontré que les fibres de carbone poreuses (PCF) sont un matériau CDI efficace. Ils ont dérivé les PCF de poly(méthacrylate de méthyle) séparé en microphases. bloquer -polyacrylonitrile (PMMA-b-PAN). Les PCF résultants ont maintenu des mésopores abondants et uniformes interconnectés avec des micropores pour former une structure poreuse hiérarchique avec un grand, surface accessible aux ions et capacité de dessalement élevée. Les fibres de carbone continues et le réseau poreux interconnecté ont permis un transport rapide des électrons/ions pour maintenir un taux de dessalement élevé. Le travail met en évidence la promesse du PCF à base de copolymère pour le CDI à haute capacité et à haut débit.

Le prélèvement croissant et la répartition inégale de l'eau douce imposent des défis critiques au développement technique et socio-économique. Le dessalement est une approche prometteuse basée sur un vaste réservoir d'eau de mer pour faire face à la pénurie d'eau douce. L'osmose inverse et la distillation thermique sont des techniques largement pratiquées pour traiter l'eau de mer ou l'eau saumâtre à forte concentration en sel, bien que de telles méthodes soient énergivores et coûteuses lorsque les concentrations de sel sont faibles. Comme alternative, la déionisation capacitive (CDI) peut éliminer les ions par électrosorption ou réactions pseudocapacitives pour dessaler l'eau à faible concentration en sel.

Les scientifiques des matériaux utilisent des carbones poreux comme matériaux d'électrode CDI primaires en raison de leur conductivité électrique élevée, grande superficie, structure adaptable et excellente stabilité. Les exemples incluent le charbon actif (AC), aérogels de graphène et carbones macroporeux dérivés de la biomasse. Cependant, les capacités et débits de dessalement de ces matières restent à améliorer. Basé sur les performances limitées des matériaux microporeux et macroporeux, Liu et al. émettre l'hypothèse que les fibres de carbone seront capables d'atteindre des taux élevés de capacité de dessalement en raison de l'architecture hiérarchique interconnectée. Dans ce travail, l'équipe a démontré des fibres de carbone poreuses (PCF) en tant que matériaux d'électrode supérieurs pour la déionisation capacitive. L'innovation de la technique repose ici sur la conception du précurseur d'électrode de carbone au niveau moléculaire. Liu et al. utilisé un copolymère séquencé pour créer des PCF par électrofilage, oxydation, stabilisation, et pyrolyse. La grande surface de dessalement efficace qui en résulte avec une architecture abondante et uniforme a amélioré la capacité de dessalement en permettant un transport rapide des électrons et une diffusion rapide des ions.

Concevoir des matériaux pour le CDI, l'équipe a étudié trois matériaux carbonés, y compris PCF (fibres de carbone poreuses) à base de copolymère séquencé avec une grande surface accessible aux ions. L'équipe a également testé des fibres de carbone industrielles (CF) et du charbon actif (AC) à base de PAN (polyacrylonitrile) industriels. Le carbone fibreux et les mésopores interconnectés ont permis des voies de transport continues et efficaces pour les électrons et les ions, tout en réduisant la résistance interne du dessalement dans les cellules et en améliorant le taux de dessalement. En revanche, les autres matériaux avaient une surface limitée pour l'électrosorption des ions et un taux de dessalement détérioré. L'équipe a ensuite adhéré aux trois matériaux ; PCF, CF et AC aux rubans de cuivre étamés et les utilisaient comme électrodes dans les cellules CDI. En utilisant des images de microscopie électronique à balayage (MEB), ils ont noté des apparences distinctes pour les trois matériaux divers. Sur la base des premiers résultats, ils s'attendaient à ce que le PCF affiche le taux de dessalement le plus élevé.

Les scientifiques ont ensuite mené une série d'expériences pour comprendre les propriétés chimiques et électriques des trois matériaux. Après avoir mesuré l'angle de contact de l'eau entre la surface, ils ont noté un grand angle de contact pour les substrats AC, qui représentait une interface hydrophobe (hydrofuge) - indésirable pour dessaler des solutions aqueuses. Pendant ce temps, sans aucun additif conducteur, les matériaux PCF et CF étaient hautement électriquement conducteurs selon la spectroscopie d'impédance électrochimique et les mesures par sonde à quatre points. Basé sur de multiples caractéristiques, y compris des structures poreuses hiérarchiques, surface utile, conductivité électrique élevée et faible résistance à la diffusion, l'équipe a décidé que le PCF serait un excellent matériau d'électrode pour le CDI.

Ils ont démontré la capacité de déionisation du PCF en dessalant deux sources d'eau, dont l'eau saumâtre artificielle avec du chlorure de sodium (NaCl) et l'eau du robinet synthétique avec du NaCl dans des cellules coniques, avec deux électrodes symétriques. Ils ont déterminé les concentrations à l'aide de la chromatographie ionique et ont noté que la concentration en NaCl de l'eau du robinet était tombée à une concentration ultra-faible après cinq cycles de déionisation. Liu et al. ont quantifié en outre la capacité de dessalement et le taux de PCF en utilisant une déionisation à cycle unique à une tension de polarisation appliquée de 1,0 V aux deux électrodes PCF pour observer une diminution des concentrations de sel de 501,2 à 477,5 mg/L. En comparaison, Les cellules CDI contenant CF et AC n'ont montré qu'une légère diminution de la concentration en sel à la même polarisation de tension. La capacité de dessalement de PCF, à 30 mg NaCl g PCF ^-1 , a surpassé les autres électrodes de carbone CDI et a atteint un taux de dessalement maximal de 38 mg g ^-1 min ^-1 environ 40 fois plus rapide que les nanotubes de carbone, graphène, CFs et autres carbones poreux tridimensionnels.

La consommation d'énergie accompagnant le PCF était également faible, et le matériau polyvalent pourrait éliminer d'autres cations courants dans l'eau, y compris les ions potassium (K ⁺ ), ions magnésium (Mg ²⁺ ) et des ions calcium (Ca ²⁺ ). Les réactions chimiques n'ont pas altéré la surface du PCF en raison de la double couche électrique des cellules CDI, permettant à la surface de conserver sa capacité de dessalement sans signe de dégradation ou de perte substantielle après des cycles de charge-décharge répétés. De cette façon, Tianyu Liu et ses collègues ont mis en évidence le PCF à base de copolymère séquencé comme matériau d'électrode haute performance pour le CDI, tout en conservant une capacité de dessalement ultra-élevée, surpassant d'autres matériaux de carbone de pointe. Liu et al. crédité le taux ultrarapide et la capacité élevée de dessalement à la structure combinée, propriétés physiques et électriques du PCF. À l'avenir, Liu et al. étudiera comment les propriétés du PCF influencent les performances de dessalement - ils s'attendent à une corrélation positive entre les propriétés de surface du matériau et la déionisation capacitive. Les chercheurs proposent des stratégies d'ingénierie supplémentaires pour concevoir un flux efficace à travers des cellules de dessalement en continu utilisant le PCF pour augmenter encore la capacité et le taux de dessalement.

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