同濟大學馬杰教授團隊EESUS：磷酸功能化多孔PZN@CF納米片實現高效電化學脫氯

第一作者：王俊策

通訊作者：馬杰

通訊單位：同濟大學

本文亮點

1、提出了缺陷工程與結構調控協同優化的新策略，克服了傳統過渡金屬氫氧化物電極反應動力學緩慢的瓶頸。

2、通過Kirkendall效應誘導蝕刻構建了分級多孔納米片陣列，顯著縮短了離子傳輸路徑。

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，大幅提升了電荷存儲容量與Cl?吸附動力學。

4、該電極在1.6 V電壓下實現了151.23 mg g?1的超高脫氯容量和6.07 mg g?1·min?1的快速吸附速率，性能位居報道材料前列。

5、DFT理論計算證實，磷酸功能化通過調控d帶中心，有效降低了Cl?的吸附能壘。

內容導讀

由于過渡金屬氫氧化物（TMH）電極的離子擴散動力學慢，表面反應性差，存在著脫鹽能力低、脫鹽速率低等問題。與傳統的單純擴大比表面積的改性策略不同，缺陷工程與結構協同優化策略可以有效地解決上述挑戰。同濟大學馬杰教授團隊設計并制備了磷酸鹽功能化多孔氧化鋅納米片陣列電極（PZN@CF）。利用Kirkendall效應誘導的定向蝕刻技術構建了分層多孔結構以縮短離子輸運路徑。同時，通過磷酸離子表面修飾引入富磷酸缺陷位點，形成高活性的P-O-Zn/Ni鍵合界面，顯著提高了電極的電荷存儲能力和Cl -?的吸附動力學。該電極材料具有高比表面積（35.873 m2g-1）（增加4-9倍）和優異的化學穩定性，具有263 mA m-2的超高比容量。PZN@CF的CDI體系在1.6 V下的去除率為151.23 mg g-1，去除率為6.07 mg g-1·min-1。該策略策略可以進一步擴展到其他層狀金屬化合物的修飾，通過特定的官能團定向修飾，以實現“缺陷-活性-穩定性”的精確平衡，為設計高選擇性離子捕獲材料提供了一條共同的途徑。

背景介紹

隨著工業化與城鎮化的加速，水體中氯離子污染日益嚴重。主流的脫氯技術如反滲透、電化學沉積等存在能耗高、易產生二次污染、選擇性差或運行成本高等問題。電容去離子技術因其低能耗、環境友好和操作簡單等優勢備受關注，但其性能高度依賴于電極材料的電荷存儲能力和離子傳輸動力學。因此，開發兼具高容量與快速響應特性的新型電極材料成為該領域的核心挑戰。

圖文解析

研究團隊首先通過水熱法在預處理過的碳氈上生長了葉片狀的ZnNiOH前驅體，隨后利用NaH?PO?·H?O在惰性氣氛下進行磷酸化處理，成功制備了磷酸功能化的PZN@CF電極。SEM圖像清晰顯示，原始的ZnNiOH@CF呈現出均勻覆蓋在碳纖維表面的二維納米片結構。經過磷酸化處理后，PZN@CF的納米片表面和邊緣出現了更多的缺陷和孔隙，形成了更精細的顆粒狀晶體和重構的多孔結構。

XRD與XPS分析證明了磷酸鹽的成功引入以及P-O-Zn/Ni鍵合結構的形成。氮氣吸脫附測試表明，PZN@CF具有最大的比表面積（35.873 m2 g?1）和最豐富的微介孔結構，這為離子吸附提供了更多的活性位點和更短的傳輸路徑。

電化學測試表明，PZN@CF電極表現出優異的贗電容行為和倍率性能。其CV曲線呈現類矩形，GCD曲線無明顯的電壓平臺，表明其電荷存儲以表面吸附為主導。與ZnNiOH@CF前驅體相比，PZN@CF具有更高的比電容和更低的電荷轉移電阻，體現了磷酸功能化對電極反應動力學的顯著提升。

在混合CDI脫氯測試中，PZN@CF電極展現出卓越的性能：高吸附容量：在1.6 V電壓下，對NaCl的吸附容量高達 151.23 mg g?1?？焖傥剿俾剩浩湮剿俾士蛇_ 6.07 mg g?1·min?1。低能耗：在1.2 V下，其單位吸附能耗低至 1.12 kWh kg?1。性能領先：CDI Ragone圖顯示，其綜合脫氯性能優于大多數已報道的電極材料。

為了深入理解性能提升的內在機理，研究者進行了密度泛函理論計算。結果表明，磷酸功能化后形成的PZN結構，其d帶中心（-2.976 eV）相較于ZnNiOH（-3.743 eV）更靠近費米能級，增強了對Cl?的吸附能力。同時，Cl?在PZN上的吸附能（-1.749 eV）遠低于在ZnNiOH上的吸附能（-0.311 eV），且差分電荷密度顯示二者之間存在更強的電子相互作用。這從理論上證實了磷酸功能化通過優化電子結構，有效降低了Cl?的吸附能壘，從而實現了高容量、穩定的脫氯性能。

總結與展望

本研究成功通過缺陷工程與結構調控的協同策略，設計并制備了磷酸功能化的分級多孔PZN@CF電極。該電極兼具高比表面積、豐富的活性位點和優化的電子結構，在電容脫氯中表現出超高容量、快速動力學和優異穩定性。該工作不僅為開發高效CDI電極材料提供了新的設計思路，也揭示了通過特定官能團定向修飾以實現“缺陷-活性-穩定性”精準調控的普適性路徑，有望推廣至其他高性能離子捕獲材料的設計中。

第一作者信息

王俊策，同濟大學環境科學與工程學院2025屆碩士畢業生，現于南京大學環境學院攻讀博士學位。碩士期間主要開展MXene衍生陽極材料的構建及其在電化學捕獲/降解砷氟污染物中的應用研究。相關成果發表于Advanced Science, Chemical Engineering Journal, Angewandte Chemie International Edition, Energy & Environmental Sustainability等期刊，曾獲得研究生國家獎學金、本科生國家獎學金、重慶市優秀本科畢業生、重慶市優秀畢業論文（設計）等榮譽稱號。

通訊作者信息

馬杰，同濟大學環境科學與工程學院教授，博士生導師，中組部第十一批上海援疆干部，長期致力于電容去離子分離技術和應用研究，新疆天山創新團隊負責人，主持5項國家自然科學基金，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/通訊作者發表SCI論文250余篇，ESI高被引/熱點論文31篇/次，論文總他引15000次（WOS），主編《環境材料概論》，參編英文專著3部，授權中國發明專利20項。擔任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化學學報等期刊編委，新疆地震學會副理長，新疆碳納米材料制備與應用重點實驗室主任，新疆工程材料與結構重點實驗室學術委員會副主任，，新疆節能減排專家委員會學術委員會副主任，中國化學會高級會員、中國有色金屬學會環境保護學術委員會委員等，入選“上海市東方英才計劃拔尖項目”，“新疆杰出青年基金”，“上海市人才發展基金”、同濟大學“中青年科技領軍人才”和“百人計劃”等，獲上海市自然科學二等獎（1/5），河南省自然科學獎三等獎、中國化工學會基礎研究成果獎二等獎等，擔任中國環境科學學會年會《環境修復材料》分會主席，中國材料大會《環境分離凈化材料與技術》分會主席，中國新材料產業發展大會《環境分離凈化材料》分會主席，入選 “高被引科學家”，“中國高被引學者”和“全球前2%頂尖科學家榜單”。

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