同济大学/喀什大学马杰教授团队Nano Energy：低曲折度磷化亚铜纳米棒阵列结构助力电容去离子高效除氯

第一作者：周紫晴

通讯作者：马杰

通讯单位：同济大学

论文DOI：10.1016/j.nanoen.2025.110792

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电化学去离子（EDI）技术凭借其低二次污染、低能耗及易于再生等显著优势，已成为除氯领域的研究热点。然而，当前应用于EDI的电极材料主要局限于基于双电层电容机制的碳基材料及基于转化反应的Ag/Bi基材料，这些材料普遍存在比容量有限、反应动力学迟缓等问题，严重制约了其在高效去离子领域的实际应用。因此，开发具有高容量、快速反应动力学及优异结构稳定性的新型EDI阳极材料成为亟待突破的关键科学问题。

过渡金属磷化物，尤其是磷化亚铜（Cu3P），因其独特的电子结构、优异的比容量、良好的氧化还原可逆性及较低的氧化还原电位，在电化学储能与转换领域展现出广阔的应用前景。尽管Cu3P在阴离子可逆储存方面表现出显著潜力，但其在EDI体系中的应用尚未见报道，且其反应动力学和结构稳定性仍需进一步提升以满足实际应用需求。

针对这一问题，同济大学马杰教授团队摒弃传统依赖材料尺寸微缩化和碳基复合的技术路线，提出基于牺牲模板阵列工程的可控磷化策略，成功制备了单片低曲折度Cu3P纳米棒阵列（mCu3P NA），实现了高面积性能的电化学除氯。单片纳米棒阵列的低曲折设计和互连孔结构有助于缩短离子扩散路径并促进电子传输，从而改善电荷传输动力学以提高除氯速率。此外，单片低曲折阵列结构提供了丰富的可及活性位点以促进去离子化能力，同时也提供了充足的缓冲空间以增强稳定性。结果表明，mCu3P NA电极表现出优异的面积除氯容量（2.21 mg-Cl− cm−2）、快速的面积除氯速率（0.074 mg-Cl− cm−2 min−1）和优异的稳定性（80次循环约89.66%的容量保持率）。该研究为低曲折度Cu3P阵列在环境处理中的应用提供了新思路，并推动了高面积性能氯离子去除电极的发展。

要点一：低曲折度阵列结构设计

通过电化学阳极氧化和可控磷化策略成功合成了单片低曲折度Cu3P纳米棒阵列，并通过调控磷源的量实现纳米棒尺寸的控制。所制备mCu3P NA保持了良好的三维多孔泡沫结构和低曲折度阵列架构。这种低曲折度设计显著提升了离子扩散效率和电子传输能力，增加了活性位点的可接触性，为电化学除氯的快速进行提供了有利条件。这些特性使得mCu3P NA在氯离子去除应用中展现出良好的性能潜力。

要点二：优异面积的Cl-去除性能

低曲折度Cu3P纳米棒阵列在电化学除氯中展现出优异的面积性能。在1.6 V的恒定电压下，Cu3P-2的面积去离子容量达到2.21 mg-Cl−cm−2，相对应的面积去离子速率高达 0.074 mg-Cl− cm−2 min−1。显然，mCu3P NA表现出比任何其他Cl−存储电极材料（甚至高负载电极）更高的面积去离子容量和面积去离子速率。此外，经过80次循环后，容量保持率接近90%，且材料结构完整无坍塌，表现出优异的长期稳定性。这些优势使得mCu3P NA在电化学除氯应用中具有显著的竞争力，尤其适用于空间受限的高效去离子设备。

要点三：除氯机理首次探索

基于XRD和XPS表征结构，首次提出了Cu3P捕获Cl−的机理，其与P3−/P0的氧化还原和CuCl的形成有关。DFT模拟则进一步分析了可控磷化对性能的影响机理，磷化程度通过调节Cu3P/Cu异质结构的阵列结构和组分，从而影响面积去离子性能。

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110792

课题组介绍

马杰课题组主页：http://nano.tongji.edu.cn/

第一作者介绍

周紫晴

周紫晴，同济大学环境科学与工程学院2021级博士研究生，导师为马杰教授，研究方向为电化学去离子分离电极的开发和应用等。相关研究成果发表于Nano Energy, Environmental Chemistry Letters, Chemical Engineering Journal, Chemosphere等期刊。

通讯作者介绍

马杰

马杰，教授，博士生导师，喀什大学土木工程学院院长（援疆），长期致力于（电）吸附分离污染控制技术研究和应用，主持4项国家自然科学基金及多项省部级课题，在Nat. Water, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano Let., Adv. Sci., Small, Research, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一/通讯作者发表SCI论文150余篇，ESI高被引/热点论文30篇/次，论文总他引11279次（WOS），参编英文专著3部，授权中国发明专利20项。担任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化学学报等期刊编委，Nanomaterials、Frontiers in Environmental Science客座编辑，新疆工程材料与结构重点实验室学术委员会主任，新疆节能减排专家委员会学术委员会副主任，中国化学会高级会员、中国有色金属学会环境保护学术委员会委员等，入选“上海市东方英才计划拔尖项目”，“上海市人才发展基金”、同济大学“中青年科技领军人才”和“百人计划”等，获上海市自然科学二等奖（1/5），河南省自然科学奖三等奖、中国化工学会基础研究成果奖二等奖等，2016-2019连续四年荣获Publons环境与生态及交叉学科领域“顶级审稿专家”荣誉，担任中国环境科学学会年会《环境修复材料》分会主席，中国材料大会《环境分离净化材料与技术》分会主席，2020-2024年连续五年入选斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”，2022年入选科睿唯安“交叉学科”领域全球“高被引科学家”。

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