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An energy efficient bi-functional electrode for continuous cation-selective capacitive deionization

电容去离子 电极 材料科学 电容感应 纳米技术 化学工程 电化学 化学 电气工程 物理化学 工程类
作者
Sareh Vafakhah,Mohsen Saeedikhani,Mohammad Tanhaei,Shaozhuan Huang,Lu Guo,Ming Yang,Hui Ying Yang
出处
期刊:Nanoscale [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:12 (45): 22917-22927 被引量:20
标识
DOI:10.1039/d0nr05826b
摘要

Effective ion intercalation nanomaterials provide tremendous opportunities to various deionization systems such as capacitive deionization (CDI) to significantly improve the removal capacity of brackish water desalination. However, the asymmetric design of CDI devices causes a low removal rate due to the indispensable regeneration half-cycle. Furthermore, choices of chloride selective electrodes for such devices are limited. This imposes a big challenge on further improvement of CDI systems. Herein, we report a cation-selective CDI system using a single bi-functional Na2VTi(PO4)3@carbon nanomaterial with redox couples of V4+/V3+ and Ti3+/Ti4+ as an advanced symmetric electrode. The as-prepared continuous desalination set-up shows a superior removal rate of 0.022 mg g-1 s-1 (1.32 mg g-1 min-1) with a high half-cycle removal capacity of 35 mg g-1, and extremely low energy consumption of 0.14 W h g-1 (at a current density of 100 mA g-1). In addition, an extremely high cycle-stability of at least 50 cycles is achieved. The bi-functional intercalation mechanism is investigated by in situ XRD and ex situ XPS. The symmetric device yields a simplified and low-cost configuration with improved energy efficiency and high removal capacity. This opens a new horizon towards the commercialization of CDI technologies.
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