La deionizzazione capacitiva (CDI) è energeticamente favorevole alla deionizzazione dell'acqua, ma i metodi esistenti sono limitati dalle loro capacità di desalinizzazione e dai cicli che richiedono tempo a causa di superfici accessibili agli ioni insufficienti e del trasporto lento di elettroni/ioni. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Tianyu Liu e un gruppo di ricerca nei dipartimenti di chimica, Ingegneria Civile e Ambientale, e nanoscienza al Virginia Tech, NOI., dimostrato fibre di carbonio porose (PCF) come un materiale CDI efficace. Hanno derivato i PCF dal poli(metilmetacrilato) separato in microfase- bloccare -poliacrilonitrile (PMMA-b-PAN). I PCF risultanti hanno mantenuto mesopori abbondanti e uniformi interconnessi con micropori per formare una struttura porosa gerarchica con un grande, superficie accessibile agli ioni ed elevata capacità di desalinizzazione. Le fibre di carbonio continue e la rete porosa interconnessa hanno consentito il trasporto rapido di elettroni/ioni per mantenere un elevato tasso di desalinizzazione. Il lavoro evidenzia la promessa del PCF a base di copolimero per CDI ad alta capacità e alta velocità.

Il crescente prelievo e la distribuzione irregolare dell'acqua dolce impongono sfide critiche allo sviluppo tecnico e socio-economico. La desalinizzazione è un approccio promettente basato su un vasto serbatoio di acqua di mare per affrontare la carenza di acqua dolce. L'osmosi inversa e la distillazione termica sono tecniche ampiamente praticate per trattare l'acqua di mare o salmastra ad alta concentrazione di sale, sebbene tali metodi siano ad alta intensità energetica e costosi quando le concentrazioni di sale sono basse. In alternativa, la deionizzazione capacitiva (CDI) può rimuovere gli ioni attraverso l'elettrosorbimento o reazioni pseudocapacitive per desalinizzare l'acqua a basse concentrazioni di sale.

Gli scienziati dei materiali utilizzano i carboni porosi come materiali per elettrodi CDI primari a causa della loro elevata conduttività elettrica, ampia superficie, struttura personalizzabile e ottima stabilità. Gli esempi includono carbone attivo (AC), aerogel di grafene e carboni macroporosi derivati ​​da biomasse. Però, le capacità di desalinizzazione e le velocità di tali materiali devono ancora essere migliorate. Sulla base delle prestazioni limitate dei materiali microporosi e macroporosi, Liu et al. ipotizzare che le fibre di carbonio saranno in grado di raggiungere alti tassi di capacità di desalinizzazione grazie all'architettura gerarchica interconnessa. In questo lavoro, il team ha dimostrato che le fibre di carbonio porose (PCF) sono materiali per elettrodi superiori per la deionizzazione capacitiva. L'innovazione della tecnica qui si basava sulla progettazione del precursore dell'elettrodo di carbonio a livello molecolare. Liu et al. utilizzato un copolimero a blocchi per creare PCF attraverso l'elettrofilatura, ossidazione, stabilizzazione, e pirolisi. L'ampia superficie di desalinizzazione effettiva risultante con un'architettura abbondante e uniforme ha migliorato la capacità di desalinizzazione consentendo un rapido trasporto di elettroni e una rapida diffusione di ioni.

Per progettare materiali per CDI, il team ha studiato tre materiali di carbonio, compreso PCF a base di copolimero a blocchi (fibre di carbonio porose) con un'ampia superficie accessibile agli ioni. Il team ha anche testato fibre di carbonio industriali a base di PAN (poliacrilonitrile) (CF) e carbone attivo (AC). Il carbonio fibroso e i mesopori interconnessi consentivano vie di trasporto continue ed efficaci per elettroni e ioni, riducendo la resistenza interna alla desalinizzazione nelle cellule e migliorando il tasso di desalinizzazione. In contrasto, gli altri materiali avevano un'area superficiale limitata per l'elettroassorbimento di ioni e un tasso di desalinizzazione deteriorato. Il team ha quindi aderito a tutti e tre i materiali; PCF, CF e AC a nastri di rame stagnato e li ha usati come elettrodi nelle celle CDI. Utilizzando immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) hanno notato aspetti distinti per i tre diversi materiali. Sulla base dei risultati iniziali, si aspettavano che il PCF mostrasse il più alto tasso di desalinizzazione.

Gli scienziati hanno poi condotto una serie di esperimenti per comprendere le proprietà chimiche ed elettriche di tutti e tre i materiali. Dopo aver misurato l'angolo di contatto dell'acqua tra la superficie, hanno notato un ampio angolo di contatto per i substrati AC, che rappresentava un'interfaccia idrofoba (idrorepellente), indesiderabile per desalinizzare soluzioni acquose. Nel frattempo, senza additivi conduttivi, i materiali PCF e CF erano altamente conduttivi elettricamente secondo la spettroscopia di impedenza elettrochimica e le misurazioni della sonda a quattro punti. Sulla base di molteplici caratteristiche tra cui strutture porose gerarchiche, superficie effettiva, elevata conducibilità elettrica e bassa resistenza alla diffusione, il team ha deciso che il PCF sarebbe stato un eccellente materiale per elettrodi per CDI.

Hanno dimostrato la capacità di deionizzazione del PCF desalinizzando due fonti di acqua tra cui acqua salmastra artificiale con cloruro di sodio (NaCl) e acqua di rubinetto sintetica con NaCl in celle coniche, con due elettrodi simmetrici. Hanno determinato le concentrazioni utilizzando la cromatografia ionica e hanno notato che la concentrazione di NaCl nell'acqua del rubinetto è scesa a una concentrazione ultra bassa dopo cinque cicli di deionizzazione. Liu et al. quantificato ulteriormente la capacità di desalinizzazione e il tasso di PCF utilizzando la deionizzazione a ciclo singolo a una tensione di polarizzazione applicata di 1,0 V attraverso i due elettrodi PCF per osservare la diminuzione delle concentrazioni di sale da 501,2 a 477,5 mg/L. In confronto, Le cellule CDI contenenti CF e AC hanno mostrato solo una leggera diminuzione della concentrazione di sale alla stessa polarizzazione di tensione. La capacità di desalinizzazione di PCF, a 30 mg _NaCl G _PCF ⁻¹ , ha superato altri elettrodi CDI al carbonio e ha raggiunto un tasso massimo di desalinizzazione di 38 mg g ⁻¹ min ⁻¹ circa 40 volte più veloce dei nanotubi di carbonio, grafene, CF e altri carboni porosi tridimensionali.

Anche il consumo energetico associato al PCF era basso, e il materiale versatile potrebbe rimuovere altri cationi comuni nell'acqua, compresi gli ioni potassio (K ⁺ ), ioni magnesio (Mg ²⁺ ) e ioni calcio (Ca ²⁺ ). Le reazioni chimiche non hanno alterato la superficie del PCF a causa del doppio strato elettrico delle cellule CDI, consentendo alla superficie di mantenere la sua capacità di desalinizzazione senza segni di degrado o perdita sostanziale dopo ripetuti cicli di carica-scarica. In questo modo, Tianyu Liu e colleghi hanno evidenziato il PCF a base di copolimero a blocchi come materiale per elettrodi ad alte prestazioni per CDI, pur mantenendo una capacità di dissalazione ultraelevata, superando altri materiali di carbonio all'avanguardia. Liu et al. attribuito la velocità ultrarapida e l'elevata capacità di dissalazione al combinato strutturale, proprietà fisiche ed elettriche del PCF. Nel futuro, Liu et al. studieranno come le proprietà del PCF influenzano le prestazioni di desalinizzazione:si aspettano una correlazione positiva tra le proprietà superficiali del materiale e la deionizzazione capacitiva. I ricercatori propongono ulteriori strategie ingegneristiche per progettare un flusso efficiente attraverso celle di desalinizzazione continue utilizzando PCF per aumentare ulteriormente la capacità e la velocità di desalinizzazione.

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