用于高效废水处理与能源转化的双价离子及卤化物双离子存储系统：一种具有氧化还原活性的对称电池

《Joule》：Divalent and halide dual-ion storage of a redox-active symmetric cell for an efficient wastewater-energy nexus

基于V?O?@C/rGO的红ox活性对称电池实现双离子存储与高效脱盐，无膜设计能耗76Wh/kg，为可持续水能系统提供新方案。

　　这项研究提出了一种创新性的离子管理技术，旨在实现高效能量存储与废水处理的结合。研究人员设计了一种基于V?O?纳米晶/碳杂化材料（V?O?@C/rGO）的对称电极结构，这种材料来源于一种名为MIL-47(V)的钒基金属有机框架（V-MOF）。该系统能够同时实现二价阳离子（如Ca2?、Mg2?）和卤素阴离子（如Br?、Cl?、I?）的远达反应存储，并且在相同的电极上实现不同的离子存储机制。这一技术突破为水-能源纽带提供了新的解决方案，能够在不使用离子交换膜的情况下，实现高效的离子吸附与释放。

V?O?@C/rGO材料的独特结构使其在离子存储方面表现出色。rGO（还原氧化石墨烯）作为多孔基底，提供了大面积的接触面和优良的导电性，而碳基质则起到了缓冲作用，有效减少了过渡金属的流失。此外，V?O?纳米晶的引入增强了材料的电化学活性，使其能够在不同的电位下选择性地存储特定的离子。例如，在?0.55 V（相对于Ag/AgCl）时，Ca2?被有效吸附，而在0.80 V时，Br?的存储效率显著提高。这种选择性不仅提升了离子存储的效率，也使得材料在实际应用中更具可行性。

该系统的一个重要特点是其对称性设计。传统的电化学储能和脱盐技术通常需要使用不同的电极材料，或者依赖于离子交换膜来实现离子的选择性存储和释放。然而，对称电极结构的采用避免了这些复杂性和额外的成本。通过将V?O?@C/rGO材料同时作为正负电极，研究人员成功构建了一种能够实现能量存储和脱盐功能的集成系统。这种设计不仅简化了制造流程，还提高了系统的稳定性和可重复使用性。在实际测试中，该系统表现出高达1.52 V的高电压输出，以及147.3 mAh g?1和84.4 mg g?1的高比容量，这些性能指标均优于现有的同类技术。

在废水处理方面，该系统展现出卓越的性能。实验结果表明，V?O?@C/rGO电极在低浓度（500 ppm）和高浓度的废水中均能高效吸附盐分。其快速的离子存储动力学使得即使在10,000 mA g?1的高电流密度下，仍能保持125.4 mAh g?1的高容量，同时实现21.3 mg g?1 min?1的快速脱盐效率。这一特性对于实际应用尤为重要，因为许多工业废水和自然水源中的盐分浓度差异较大，而传统技术往往难以适应这种变化。此外，该系统在脱盐过程中能够自发地再生电极，无需额外的维护或更换，这大大降低了运行成本并提高了可持续性。

在能源存储方面，该系统同样表现出色。由于其高比容量和快速充放电能力，V?O?@C/rGO电极可以作为高效的储能装置，为电子设备提供稳定的能量供应。同时，该系统能够在废水处理过程中同步进行能量存储，使得整个过程更加节能和环保。这种“一体化”设计不仅减少了能源消耗，还提高了系统的整体效率。例如，研究中提到的RACDI（红ox活性电容脱盐）设备总能耗仅为76 Wh kg?1，远低于现有CDI技术的能耗水平。这一成果为开发低能耗、高效率的水-能源集成系统提供了新的思路。

研究团队还详细描述了材料的合成过程。首先，通过一步水热法合成了V-MOF（MIL-47），随后在rGO基底上生长出V?O?纳米晶/碳杂化结构。这一合成方法不仅操作简便，而且能够有效控制材料的形貌和性能。实验过程中，研究人员通过多种表征手段（如X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱等）验证了材料的结构和化学组成，确保其在实际应用中的可靠性。此外，计算化学方法也被用于分析离子存储机制，进一步支持了实验结果。

为了进一步验证该系统的性能，研究人员进行了多种实验测试。其中包括循环伏安法、恒电流充放电测试、离子吸附动力学分析以及实际废水处理实验。实验结果显示，该系统不仅具有优异的循环稳定性，还能在高盐浓度和低盐浓度的废水中保持高效的脱盐能力。这表明，该技术具有广泛的应用前景，可以适用于不同类型的废水处理需求。同时，该系统的高能量密度和低能耗特性，使其在实际应用中能够有效降低运行成本，提高能源利用效率。

研究团队还讨论了该技术在实际应用中的潜力和挑战。首先，该系统能够实现水-能源的高效协同，为可持续发展提供了新的可能性。在工业废水处理中，该系统可以同时回收水和能量，从而减少资源浪费并提高整体效益。其次，该技术的低成本和易维护特性，使其在大规模应用中更具优势。由于不需要离子交换膜，系统的复杂性和维护成本大幅降低，这有助于其在实际工程中的推广。然而，研究团队也指出，该技术在实际应用中仍面临一些挑战，例如如何进一步提高离子存储的容量和选择性，以及如何优化系统的运行条件以适应不同的废水类型。

此外，研究团队还强调了该技术对环境保护和资源回收的重要性。随着全球水资源短缺问题的加剧，传统的水处理技术往往需要消耗大量能源，并产生二次污染。而该系统通过高效的离子存储和释放机制，能够在脱盐的同时实现能量回收，从而减少对环境的影响。特别是在高盐浓度的工业废水中，该系统能够有效去除卤素阴离子和二价阳离子，为水资源的循环利用提供了新的途径。

在实际应用方面，该技术可以被广泛应用于多个领域。例如，在工业废水处理中，该系统能够有效去除重金属离子和卤素阴离子，从而提高水质并回收水资源。在海水淡化过程中，该系统能够利用海水中的卤素阴离子进行能量存储，为脱盐过程提供额外的动力支持。此外，该技术还可以用于海水淡化与能源生产相结合的场景，如沿海地区的海水淡化厂，可以将脱盐过程中产生的能量用于驱动其他设备，从而提高整体能源利用效率。

从经济角度来看，该系统的低能耗和高效率特性，使其在大规模应用中具有显著的经济优势。传统的水处理技术往往需要大量的能源投入，而该系统通过整合储能和脱盐功能，能够减少能源消耗并提高资源回收率。此外，由于不需要复杂的离子交换膜，系统的制造和维护成本也大幅降低，这有助于其在实际工程中的推广和应用。

从环境角度来看，该系统能够有效减少水处理过程中产生的二次污染。传统的水处理技术在去除离子时可能会产生大量废弃物，而该系统通过自发的电极再生过程，减少了废弃物的产生。同时，该系统的高效离子存储能力，使得废水中的有害物质能够被有效去除，从而降低对环境的污染。这一特性对于保护生态环境和人类健康具有重要意义。

总的来说，这项研究为水-能源纽带提供了一种全新的解决方案。通过设计一种基于V?O?@C/rGO材料的对称电极结构，研究人员成功实现了高效能量存储与废水处理的结合。该系统不仅具有优异的性能指标，如高比容量、高脱盐效率和低能耗，还具备良好的稳定性和可重复使用性。此外，其对称设计和无需离子交换膜的特性，使得该系统在实际应用中更加简便和经济。未来，随着技术的进一步优化和推广，该系统有望在多个领域发挥重要作用，为实现可持续的水-能源系统提供新的思路和方法。