上海工程技术大学资源与环境创新中心Desalination：一维PPy微管/复合相MoS2纳米片实现高效电容去离子

第一作者：陈嘉旻

通讯作者：孙怡然、张敏

通讯单位：上海工程技术大学

论文DOI：10.1016/j.desal.2024.117981

本文亮点

1、PPy@MoS2 同时表现出 1T 和 2H 相。

2、实现了159.6 mg g-1 的优异脱盐能力。

3、PPy@MoS2 的能耗低至 0.22 kWh kg-1。

内容简介

由于人口增长和工业扩张，清洁和可用的供水已成为全球性挑战。得益于高海水淡化效率和最小的环境足迹，电容去离子 (CDI) 有望解决淡水短缺问题。CDI的海水淡化性能受到电极材料的严重影响。MoS2 基电极因其高电荷存储容量和电解质离子扩散能力而在电容去离子领域受到关注。然而，其发展受到强聚集、体积变化和高电荷转移阻力的阻碍。本文通过自模板方法成功合成了具有 1T/2H复合相MoS2纳米片的一维聚吡咯（PPy）微管（PPy@MoS2）。系统表征和电化学测量证明PPy@MoS2具有丰富的活性位点、平稳的电荷和离子传输。通过精确的结构和晶相调控，PPy@MoS2 实现了高脱盐能力（159.6 mg g-1）和脱盐速率（3.2 mg g-1 min-1）。核壳结构和复合相提供了优异的电荷效率、循环稳定性和低能耗（0.22 kWh kg-1）。展现了其实际海水淡化应用的潜力。

图文导读

Fig. 1. (a) Schematic synthesis of PPy@MoS2. (b) SEM, (c-d) TEM and (e) HRTEM images and (f) corresponding elemental mappings of PPy@MoS2.

如图1e所示，混合相MoS2的晶格间距约为0.78 nm，大于2H-MoS2的晶格间距（0.63 nm），小于1T-MoS2的晶格间距（ 0.95 nm），证实了复合材料中 1T 相和 2H 相的共存。此外，HRTEM 图像清楚地揭示了 MoS2 样品中存在大量缺陷和边缘位置。它们能够产生更多的活性位点，通过降低表面能来增强海水淡化性能。

Fig. 2. (a) XRD patterns of PPy@MoS2. (b) Raman spectrum of MoS2 and PPy@MoS2. XPS spectra: (c) Mo 3d spectra and (d) S 2p spectra of PPy@MoS2. (e) N2adsorption-desorption isotherm and (f) the pore size distribution of PPy, MoS2 and PPy@MoS2.

图2b中PPy@MoS2的拉曼光谱中287 cm-1、340 cm-1 和407 cm-1 处的特征峰归因于MoS2 2H相的E1g、E12g和A1g模式。152 cm-1 (J1)、218 cm-1 (J2) 和 339 cm-1(J3) 处的附加峰，对应于 MoS2 1T 相。其中1T相提供了更好的导电性和更多的活性位点，2H相有利于结构稳定性。XPS结果与拉曼光谱一致，证明了MoS2纳米片与空心PPy微管之间的结合，以及1T和2H相的共存。PPy@MoS2表现出典型的IV型等温曲线，证实了丰富的介孔的存在（图2e）。在 PPy@MoS2 中，垂直生长的层状 MoS2 纳米片在形成多孔结构方面发挥了主导作用，为离子传输和存储提供了更大的表面积和更多的通道。

Fig. 3. (a) CV curves of PPy, MoS2and PPy@MoS2 at 5 mV s-1. (b) CV curves of PPy@MoS2at different scan rates of 5, 10, 25, 50 and 75 mV s-1. (c) Specific capacitance at different current densities of PPy, MoS2 and PPy@MoS2, respectively. (d) EIS spectra of of PPy, MoS2 and PPy@MoS2. (e) Logarithm peak current versus logarithm scan rate plots of PPy, MoS2and PPy@MoS2. (f) The diffusion-controlled and capacitive-controlled contributions to the total capacitance of PPy, MoS2 and PPy@MoS2at 5mV s-1. (g) Capacitive-controlled contribution in the CV curve (shaded region) of PPy@MoS2 at 5mV s-1. (h) Capacitive-controlled contribution in the CV curve (shaded region) of MoS2at 5mV s-1. (i) The diffusion-controlled and capacitive-controlled contributions to the total capacitance of PPy, MoS2 and PPy@MoS2at different scan rates of 10, 25, 50 and 75 mV s-1.

与PPy和MoS2相比，PPy@MoS2不同扫描速率下比电容较大，随着扫描速率降低，材料的比电容增加（图3c）。PPy@MoS2表现出较低的电荷转移电阻（3.1 Ω），表明PPy@MoS2中的快速电荷转移。这种现象可以归因于一维PPy微管增强了混合结构的电导率并大大减轻了MoS2纳米片的聚集。同时，PPy@MoS2 表现出更高的斜率，表明 PPy 微管上垂直排列的 MoS2 纳米片中的离子扩散更快。PPy@MoS2 较高的 b 值表明 PPy@MoS2 提供了更高的倍率性能。PPy@MoS2表现出最高的电容控制贡献，达到88％（图3g），PPy@MoS2 中的大部分电荷存储涉及快速赝电容过程，这归因于 1T-MoS2 纳米片提供了更容易接近的活性位点（边缘和基面）和更高的电导率。此外，较高的电容控制贡献有利于快速、可逆的Na+存储。

Fig. 4. (a) Desalination capacity and (b) Desalination rate of PPy, MoS2 and PPy@MoS2 at various constant current density. (c) Desalination capacity and (d) Desalination rate of PPy, MoS2 and PPy@MoS2 at various constant potentials. (e) The desalination capacity of PPy@MoS2 during the salt absorption/desorption process under 100 cycles at 75 mA g-1, the inset is the corresponding conductivity profile. (f) Desalination rate of PPy@MoS2 composites under 100 cycles at 75 mA g-1, the inset is the corresponding potential profile. (g) Kim-Yoon-Ragone plot of PPy@MoS2 and other materials reported. (h) The calculated charge efficiency of PPy, MoS2 and PPy@MoS2. (i) The calculated energy consumptions of PPy, MoS2 and PPy@MoS2.

在恒流模式下，PPy@MoS2表现出极高的脱盐能力和优异的脱盐率（图4a）。在电流密度为75 mA g-1时，PPy@MoS2的脱盐能力达到159.6 mg g-1，是MoS2（68.3 mg g-1）的2.3倍，是PPy的7.4倍。在电流密度为150 mA g-1 时，PPy@MoS2 的脱盐率最高达到3.2 mg g-1 min-1，远远超过PPy和MoS2。在75 mA g-1 的电流密度下进行100次吸附-解吸循环后，PPy@MoS2仍然表现出较高的脱盐能力，容量保持率为71.4%（图4e）。与其他材料相比，PPy@MoS2表现出极低的能耗（0.22 kWh kg-1）。这可能归因于沿着 PPy 微管垂直排列的 MoS2 纳米片，它暴露了额外的活性位点并减少了离子扩散势垒。1T相的加入也增强了电极的电导率。

总结与展望

本研究通过自模板方法成功合成了具有MoS2 1T/2H混合相纳米片的一维PPy微管（PPy@MoS2）。其具有卓越的脱盐能力（75 mA g-1 下为159.6 mg g-1）、快速脱盐速率和稳定的长期循环性能。独特的核壳结构阻止了MoS2纳米片的聚集，从而暴露更多的活性位点并提高电荷转移效率。1T相有助于提供更好的导电性和更多的活性位点，而2H相则确保了结构稳定性。此外，PPy@MoS2表现出高电荷效率和低能耗，使其成为海水淡化实际应用的有力候选者。这项研究为CDI技术的进步提供了宝贵的见解，强调了相工程和结构设计在下一代海水淡化材料开发中的重要性。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117981

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