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Layered hydrated-titanium-oxide-laden reduced graphene oxide composite as a high-performance negative electrode for selective extraction of Li via membrane capacitive deionization

电容去离子 材料科学 石墨烯 氧化物 化学工程 电解质 无机化学 电极 电化学 纳米技术 化学 工程类 物理化学 冶金
作者
Gokul Bhaskaran,Muruganantham Rethinasabapathy,Junho Shin,Kugalur Shanmugam Ranjith,Hyun Uk Lee,Won Keun Son,Young‐Kyu Han,Taegong Ryu,Yun Suk Huh
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:650: 752-763 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.07.029
摘要

In this work, we initially prepared layered lithium titanate (Li2TiO3) using a solid-state reaction. Then Li+ of Li2TiO3 were acid-eluded with Hydrochloric acid to obtain hydrated titanium oxide (H2TiO3). Different weight percentages (50%, 60%, 70%, 80%, and 90%) of the as-prepared H2TiO3 were deposited on a conductive reduced graphene oxide (rGO) matrix to obtain a series of rGO/ H2TiO3 composites. Of the prepared composites, rGO/H2TiO3-60% showed excellent current density, high specific capacitance, and rapid ion diffusion. An asymmetric MCDI (membrane capacitive deionization) cell fabricated with activated carbon as the anode and rGO/H2TiO3-60% as the cathode displayed outstanding Li+ electrosorption capacity (13.67 mg g-1) with a mean removal rate of 0.40 mg g-1 min-1 in a 10 mM LiCl aqueous solution at 1.8 V. More importantly, the rGO/H2TiO3-60% composite electrode exhibited exceptional Li+ selectivity, superior cyclic stability up to 100,000 s, and a Li+ sorption capacity retention of 96.32% after 50 adsorption/desorption cycles. The excellent Li+ extraction obtained by MCDI using the rGO/H2TiO3-60% negative electrode was putatively attributed to: (i) ion exchange between Li+ and H+ of H2TiO3; (ii) the presence of narrow lattice spaces in H2TiO3 suitable for selective Li+ capture; (iii) capture of Li+ by isolated and hydrogen-bonded hydroxyl groups of H2TiO3; and (iv) enhanced interfacial contact and transfer of large numbers of Li+ ions from the electrolyte to H2TiO3 achieved by compositing H2TiO3 with a highly conductive rGO matrix.

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