优化碳电极喷涂涂层，以适应可扩展的氧化还原电渗析系统

《Desalination》：Optimizing carbon electrode spray coating for scalable redox electrodialysis systems

红氧化介导的电渗析技术通过可持续的氧化还原反应替代水分解，提升能效和降低成本，但其规模化受限于传统多孔碳电极的电位分布不均和结构可调性有限。本研究提出采用喷涂法制备钛丝网基复合电极（AC2-AC6），优化PVDF粘结剂含量，使AC5电极比表面积达1877.5 m2/g，电荷转移电阻降至0.9 Ω，比容量570.6 mAh/g，盐去除率1295.3 mmol/m2/h，能效117 kJ/mol。首次实现实验室3×3 cm2电极规模化至15×6 cm2（120倍）的12对电堆系统，为工业级海水淡化提供新路径。

　　红ox介导的电渗析（redox-ED）作为一种新兴的海水淡化技术，正逐渐成为解决全球淡水资源短缺问题的重要手段。随着人口增长、城市化进程加快以及气候变化的影响，淡水需求持续上升，而天然淡水资源却日益紧张。因此，开发高效、可持续且经济可行的海水淡化技术显得尤为迫切。传统的海水淡化技术，如反渗透（RO）和热蒸馏（MD），虽然在实际应用中取得了显著成效，但它们通常伴随着高能耗、高运营成本以及复杂的维护需求，尤其是在处理高盐度或含有有机物的水源时更为明显。这些限制促使研究人员探索更高效、更环保的替代方案，其中红ox介导的电渗析技术因其在能源效率和操作成本方面的优势而受到广泛关注。

红ox介导的电渗析技术通过利用可再生的氧化还原反应替代传统的水分解过程，从而显著降低系统的能耗并减少副产物的产生。这种技术的核心在于电极材料的选择与优化。目前，大多数红ox-ED系统采用多孔碳电极，如活性炭布和活性炭毡，这些材料因其高比表面积和良好的导电性而成为理想的选择。然而，传统的多孔碳电极在实现大规模应用时面临诸多挑战，主要体现在电极的电势分布不均、结构调控受限以及难以满足实际工程需求等方面。这些因素限制了红ox-ED技术在工业层面的推广和应用。

为了解决这些问题，本研究提出了一种新的电极制备方法，通过喷雾涂覆技术将活性炭粉末、导电碳黑以及聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂直接涂覆在钛网基底上。这种方法不仅简化了电极的制造过程，还提升了电极的结构可控性和电化学性能。通过系统地调整PVDF粘结剂的含量，研究团队成功优化了电极的结构、电化学活性以及脱盐效率。其中，含5克PVDF粘结剂的电极（AC5）表现尤为突出，其比容量达到了570.6 mAh/g，几乎是含2克PVDF粘结剂电极（AC2）的两倍。此外，AC5的比表面积从1361.6 m2/g提升至1877.5 m2/g，电化学活性表面积从6.03 cm2增加到8.63 cm2，同时其电荷转移电阻也显著降低，从1.8 Ω降至0.9 Ω。这些改进使得AC5电极在脱盐速率、电荷效率和能耗方面均表现出优异的性能，分别达到1295.3 mmol/m2/h、98.9%和117 kJ/mol。

本研究还成功实现了电极的大规模制备，将原本仅适用于实验室的小尺寸电极（3×3 cm2）扩展到实际应用所需的15×6 cm2，并构建了一个由12对电极组成的红ox-ED系统。这一成果标志着红ox-ED技术在实际工程应用方面迈出了关键一步。通过喷雾涂覆技术，电极不仅能够保持其优异的电化学性能，还具备良好的机械稳定性和电气接触性能，从而有效克服了传统电极在大规模应用中的局限性。此外，这种方法避免了额外的电流收集器需求，降低了系统的复杂性和成本，使其更易于集成和推广。

在实验过程中，研究团队对电极的表面形貌、化学组成以及电化学性能进行了全面的表征。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，喷雾涂覆后的电极表面具有均匀的结构，活性炭粉末和碳黑在钛网基底上分布均匀，形成了良好的导电网络。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱分析进一步确认了电极材料的化学性质和结构特征。通过接触角分析，研究团队评估了电极的亲水性，这对于提高电渗析过程中的离子传输效率至关重要。此外，BET分析用于测定电极的比表面积，而粘度测试则帮助优化了喷雾涂覆工艺的参数。循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）用于评估电极的电化学活性，而恒电流充放电测试（GCD）则提供了电极容量和循环稳定性的直接数据。

为了验证电极的实际脱盐性能，研究团队在实验室规模的红ox-ED系统中进行了脱盐测试。结果表明，AC5电极在脱盐过程中表现出卓越的效率，不仅能够快速去除盐分，还能保持较高的电荷效率和较低的能耗。这一系列实验数据为红ox-ED技术的工业化应用提供了坚实的基础。通过优化粘结剂含量，研究团队不仅提升了电极的性能，还实现了电极的大规模制备，为未来红ox-ED技术的推广奠定了重要基础。

本研究的创新之处在于其提出的喷雾涂覆技术，该技术为红ox-ED电极的制备提供了一种简单、可控且适合工业应用的方法。传统的电极制备方法往往需要复杂的步骤和昂贵的设备，而喷雾涂覆技术则能够在保持电极性能的同时，大幅简化制造流程。这种方法不仅适用于实验室研究，还具备良好的可扩展性，能够满足大规模海水淡化系统的需求。此外，通过直接将活性炭与钛网结合，研究团队有效解决了传统电极在机械稳定性、电气接触和结构调控方面的不足，为红ox-ED技术的进一步发展提供了新的思路。

在实际应用中，红ox-ED技术的优势不仅体现在其高效性和低能耗上，还在于其对环境的友好性。由于该技术不需要进行水分解反应，因此可以避免产生氢气和氧气等副产物，减少对环境的潜在影响。同时，红ox-ED系统能够在常温下运行，无需额外的加热设备，进一步降低了能源消耗。此外，电极的可再生性也是该技术的一大亮点，通过简单的物理方法即可实现电极的再生，延长其使用寿命，减少更换频率和维护成本。

尽管红ox-ED技术在实验室环境中已经展现出良好的性能，但在实际应用中仍需克服一些挑战。例如，电极的长期稳定性、系统的耐久性以及在不同水质条件下的适应性等问题仍需进一步研究。此外，为了确保该技术的广泛应用，还需要对电极的制造成本、规模化生产的可行性以及系统的整体经济性进行深入分析。然而，本研究的成功经验表明，通过优化电极材料和制备工艺，红ox-ED技术有望成为一种高效、经济且可持续的海水淡化解决方案。

总的来说，本研究通过喷雾涂覆技术实现了红ox-ED电极的高效制备和规模化应用，为解决全球淡水资源短缺问题提供了新的技术路径。未来，随着进一步的技术优化和成本控制，红ox-ED有望在更多领域得到应用，包括工业废水处理、海水淡化以及资源回收等。同时，该技术的推广也将为可持续发展和环境保护做出积极贡献。