同济大学马杰教授团队EESUS：磷酸功能化多孔PZN@CF纳米片实现高效电化学脱氯

第一作者：王俊策

通讯作者：马杰

通讯单位：同济大学

本文亮点

1、提出了缺陷工程与结构调控协同优化的新策略，克服了传统过渡金属氢氧化物电极反应动力学缓慢的瓶颈。

2、通过Kirkendall效应诱导蚀刻构建了分级多孔纳米片阵列，显著缩短了离子传输路径。

3、磷酸根表面功能化成功引入富磷缺陷，形成高活性P-O-Zn/Ni界面，大幅提升了电荷存储容量与Cl⁻吸附动力学。

4、该电极在1.6 V电压下实现了151.23 mg g⁻¹的超高脱氯容量和6.07 mg g⁻¹·min⁻¹的快速吸附速率，性能位居报道材料前列。

5、DFT理论计算证实，磷酸功能化通过调控d带中心，有效降低了Cl⁻的吸附能垒。

内容导读

由于过渡金属氢氧化物（TMH）电极的离子扩散动力学慢，表面反应性差，存在着脱盐能力低、脱盐速率低等问题。与传统的单纯扩大比表面积的改性策略不同，缺陷工程与结构协同优化策略可以有效地解决上述挑战。同济大学马杰教授团队设计并制备了磷酸盐功能化多孔氧化锌纳米片阵列电极（PZN@CF）。利用Kirkendall效应诱导的定向蚀刻技术构建了分层多孔结构以缩短离子输运路径。同时，通过磷酸离子表面修饰引入富磷酸缺陷位点，形成高活性的P-O-Zn/Ni键合界面，显著提高了电极的电荷存储能力和Cl -⁻的吸附动力学。该电极材料具有高比表面积（35.873 m²g-1）（增加4-9倍）和优异的化学稳定性，具有263 mA m-2的超高比容量。PZN@CF的CDI体系在1.6 V下的去除率为151.23 mg g-1，去除率为6.07 mg g-1·min-1。该策略策略可以进一步扩展到其他层状金属化合物的修饰，通过特定的官能团定向修饰，以实现“缺陷-活性-稳定性”的精确平衡，为设计高选择性离子捕获材料提供了一条共同的途径。

背景介绍

随着工业化与城镇化的加速，水体中氯离子污染日益严重。主流的脱氯技术如反渗透、电化学沉积等存在能耗高、易产生二次污染、选择性差或运行成本高等问题。电容去离子技术因其低能耗、环境友好和操作简单等优势备受关注，但其性能高度依赖于电极材料的电荷存储能力和离子传输动力学。因此，开发兼具高容量与快速响应特性的新型电极材料成为该领域的核心挑战。

图文解析

研究团队首先通过水热法在预处理过的碳毡上生长了叶片状的ZnNiOH前驱体，随后利用NaH₂PO₂·H₂O在惰性气氛下进行磷酸化处理，成功制备了磷酸功能化的PZN@CF电极。SEM图像清晰显示，原始的ZnNiOH@CF呈现出均匀覆盖在碳纤维表面的二维纳米片结构。经过磷酸化处理后，PZN@CF的纳米片表面和边缘出现了更多的缺陷和孔隙，形成了更精细的颗粒状晶体和重构的多孔结构。

XRD与XPS分析证明了磷酸盐的成功引入以及P-O-Zn/Ni键合结构的形成。氮气吸脱附测试表明，PZN@CF具有最大的比表面积（35.873 m² g⁻¹）和最丰富的微介孔结构，这为离子吸附提供了更多的活性位点和更短的传输路径。

电化学测试表明，PZN@CF电极表现出优异的赝电容行为和倍率性能。其CV曲线呈现类矩形，GCD曲线无明显的电压平台，表明其电荷存储以表面吸附为主导。与ZnNiOH@CF前驱体相比，PZN@CF具有更高的比电容和更低的电荷转移电阻，体现了磷酸功能化对电极反应动力学的显著提升。

在混合CDI脱氯测试中，PZN@CF电极展现出卓越的性能：高吸附容量：在1.6 V电压下，对NaCl的吸附容量高达 151.23 mg g⁻¹。快速吸附速率：其吸附速率可达 6.07 mg g⁻¹·min⁻¹。低能耗：在1.2 V下，其单位吸附能耗低至 1.12 kWh kg⁻¹。性能领先：CDI Ragone图显示，其综合脱氯性能优于大多数已报道的电极材料。

为了深入理解性能提升的内在机理，研究者进行了密度泛函理论计算。结果表明，磷酸功能化后形成的PZN结构，其d带中心（-2.976 eV）相较于ZnNiOH（-3.743 eV）更靠近费米能级，增强了对Cl⁻的吸附能力。同时，Cl⁻在PZN上的吸附能（-1.749 eV）远低于在ZnNiOH上的吸附能（-0.311 eV），且差分电荷密度显示二者之间存在更强的电子相互作用。这从理论上证实了磷酸功能化通过优化电子结构，有效降低了Cl⁻的吸附能垒，从而实现了高容量、稳定的脱氯性能。

总结与展望

本研究成功通过缺陷工程与结构调控的协同策略，设计并制备了磷酸功能化的分级多孔PZN@CF电极。该电极兼具高比表面积、丰富的活性位点和优化的电子结构，在电容脱氯中表现出超高容量、快速动力学和优异稳定性。该工作不仅为开发高效CDI电极材料提供了新的设计思路，也揭示了通过特定官能团定向修饰以实现“缺陷-活性-稳定性”精准调控的普适性路径，有望推广至其他高性能离子捕获材料的设计中。

第一作者信息

王俊策，同济大学环境科学与工程学院2025届硕士毕业生，现于南京大学环境学院攻读博士学位。硕士期间主要开展MXene衍生阳极材料的构建及其在电化学捕获/降解砷氟污染物中的应用研究。相关成果发表于Advanced Science, Chemical Engineering Journal, Angewandte Chemie International Edition, Energy & Environmental Sustainability等期刊，曾获得研究生国家奖学金、本科生国家奖学金、重庆市优秀本科毕业生、重庆市优秀毕业论文（设计）等荣誉称号。

通讯作者信息

马杰，同济大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，中组部第十一批上海援疆干部，长期致力于电容去离子分离技术和应用研究，新疆天山创新团队负责人，主持5项国家自然科学基金，在Nat. Water, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano Let., Research, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一/通讯作者发表SCI论文250余篇，ESI高被引/热点论文31篇/次，论文总他引15000次（WOS），主编《环境材料概论》，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，新疆地震学会副理长，新疆碳纳米材料制备与应用重点实验室主任，新疆工程材料与结构重点实验室学术委员会副主任，，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”，“新疆杰出青年基金”，“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，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，中国新材料产业发展大会《环境分离净化材料》分会主席，入选 “高被引科学家”，“中国高被引学者”和“全球前2%顶尖科学家榜单”。

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