上海海洋大学于飞&同济大学/喀什大学马杰团队Matter：“拆积木”式配体裁剪实现电化学水处理极化调控

第一作者：张笑晨

共同作者：刘 朋

通讯作者： 马杰&于飞

通讯单位： 同济大学；上海海洋大学；喀什大学

论文网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238526001827?dgcid=author

通讯作者邮箱：jma@tongji.edu.cn；fyu@vip.163.com

摘要图：

研究背景

电化学离子捕获体系的效能上限并非仅由电极容量决定，更受限于外加电压向有效工作电压的转化效率。在电容去离子（CDI）运行过程中，体系极化可分为欧姆极化、电化学极化与浓差极化。其中，由界面电荷转移迟缓引发的电化学极化以及由离子补给不足和孔内迁移受限引发的浓差极化，更直接造成有效工作电压损失并压缩离子捕获驱动力。然而，在实际运行过程中，极化通常表现为整体电压损失，既难以定量拆分，也难以与材料结构调控建立清晰构效关系。

本文亮点

A、选择性配体裁剪实现极化定向调控

B、原位解耦极化并定量评估抑制程度

C、极化控制驱动快速电化学离子捕获

内容简介

针对电化学离子捕获过程中极化难以解耦与调控、制约离子捕获效能提升这一问题，同济大学/喀什大学马杰课题组与上海海洋大学于飞课题组提出“拆积木”式选择性配体裁剪策略，对金属有机框架（MOF）局域配位单元实施定向化学重构。所得PDS-MOF中，局域非对称性增强并提高偶极矩，强化界面电子转移动力学；同时，孔道微环境重塑削弱了离子-孔相互作用，优化离子传输动力学。基于GITT与DRT分析，研究实现 CDI 运行过程中极化行为解耦，并证实PDS-MOF总极化降低 33%。据此，PDS-MOF 获得 1.18 mgF⁻ gMOF electrode-1 min-1的氟离子捕获速率。研究结果表明，极化并非不可解析的整体电压损失，而是可通过结构设计实现定量识别与调控的重要运行参数。

图文导读

图1. 极化双重抑制材料体系的构建

研究以电化学极化与浓差极化共同制约工作电压利用率为切入点，提出选择性配体裁剪策略，并在锆基金属有机框架中完成局域配位单元定向化学重构。相关结果表明，该策略实现的不是简单表面修饰，而是围绕局域配位环境和孔道环境的同步调整，为后续电子转移和离子传输行为变化奠定了材料基础。

图2. 局域配位调整对传荷与传质过程的影响

在材料结构变化基础上，研究进一步表明，局域非对称性增强可提高偶极矩，并强化界面电子转移；孔道微环境变化则削弱离子-孔相互作用，改善离子传输行为。由此，配体裁剪所引起的结构变化同时作用于界面传荷与孔内传质两个过程，使极化调控从单一过程优化转向对关键动力学过程的同步调节。

图3. 极化调控驱动氟离子捕获性能整体提升

随着界面电子转移和离子传输同步改善，PDS-MOF 在氟离子捕获速率、容量、能耗和循环稳定性等方面均表现出更优特征，并在竞争离子体系及实际水样条件下保持有效作用。相关结果说明，局域配位重构带来的变化能够稳定转化为电化学离子捕获效能提升，而并非局限于特定测试条件。

图4. 极化解耦建立结构调控与极化降低之间的直接联系

在性能结果基础上，研究进一步对 CDI 运行过程中的极化行为进行分析。结果表明，PDS-MOF 中电子转移相关过程与离子传输相关过程均得到改善，总极化明显降低。由此，极化不再仅以整体电压损失形式被观察，而能够与具体材料结构调控联系起来，从而为极化调控提供了更明确的分析基础。

图5. 极化控制重构界面氟离子捕获路径

进一步研究表明，选择性配体裁剪对氟离子捕获的作用贯穿界面过程多个阶段，包括离子接近界面、界面富集以及位点结合。电子转移增强与离子传输优化并非彼此孤立，而是在界面过程中共同发挥作用，最终影响氟离子捕获行为。

总结与展望

本研究针对电化学离子捕获体系中极化难以解耦与调控的问题，发展了“拆积木”式选择性配体裁剪策略，并在锆基金属有机框架中实现了局域配位单元定向化学重构。研究表明，该策略能够同时影响界面电子转移与离子传输过程，从而降低运行态极化并提升氟离子捕获效能。进一步地，研究将极化行为解析与材料结构调控建立联系，为理解电化学离子捕获体系中工作电压损失来源及其调控路径提供了新的认识。未来，可进一步围绕不同配位环境、不同离子体系及复杂水化学条件下极化演化规律开展研究，以推动相关材料设计由经验优化走向面向运行过程的定向调控。

作者简介

第一作者信息：

张笑晨，同济大学环境科学与工程学院博士研究生，师从马杰教授。从事用于电容去离子（CDI）技术的高效卤素离子捕获电极设计与跨界面离子传输机制研究。博士期间，以一作（含共一）于Nat. Water, Matter, Small等期刊发表SCI论文6篇；曾获研究生国家奖学金、中国材料大会2024暨第二届世界材料大会优秀青年学术报告、上海市优秀毕业生、上海赴外国际组织实习生预备营项目优秀学生等荣誉奖励；入选2025年度中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划。

通讯作者信息：

于飞，教授，长期从事水污染控制技术与资源化研究，主持包括国家自然科学基金面上项目、青年基金等十余课题，在Adv. Funct. Mater., Nano Let., Adv. Sci., Small, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文一百余篇，其中21篇论文入选ESI高被引论文（或ESI热点论文）；累计引用1.2万余次。曾荣获上海市“优秀博士论文”、教育部国务院学位委员会“博士研究生学术新人奖”，2022年度上海市自然科学二等奖，2022度中国化工学会基础研究成果奖二等奖等，2020度河南省自然科学奖三等奖（3/5），2023-2025年入选爱思唯尔“中国高被引学者”，2020-2025连续六年入选斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家年度榜单”，2023-2025年连续三年入选“全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜”，入选2018年上海市人才发展基金，授权中国发明专利16余项；担任本领域知名学术期刊审稿人、《材料导报》等期刊编审专家、新加坡维泽材料科学专家委员会成员、巴塞尔公约亚太区域中心化学品和废物环境管理智库专家（No. 00698)，国家科技部科技专家库和上海市科学技术奖专家库专家等。

马杰，同济大学环境科学与工程学院 教授，博士生导师，喀什大学土木工程学院院长，新疆碳纳米材料制备与应用重点实验室主任，喀什大学水资源与水环境工程技术中心主任，中组部第十一批上海援疆干部，新疆天山创新团队负责人，组建同济大学环境功能材料研究中心（https://nano.tongji.edu.cn/）和喀什大学环境生态修复功能材料与技术团队，长期致力于水资源高效利用研究，主持5项国家自然科学基金，在Nat. Water, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Matter, 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35篇/次，论文总他引21000次，h-index 80，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、物理化学学报和复合材料学报等期刊编委，新疆地震学会副理长，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，入选科睿唯安 “全球高被引科学家”，爱思唯尔“中国高被引学者”，斯坦福“全球前2%顶尖科学家榜单”和ScholarGPS全球前0.05%顶尖科学家榜单。

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