清華大(dà)學深圳國(guó)際研究生(shēng)院10月(yuè)31日(rì)訊：為(wèi₩)解決全球淡水(shuǐ)資源的(de)匮乏，通(tōng)過海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)生(shēng)産飲用(yòng)水(shuǐ)≈、灌溉用(yòng)水(shuǐ)和(hé)工(gōng)業(yè)用(yòng)水(shuǐ)成為(wèi)重要(yào§)的(de)解決方案，其中電(diàn)容去(qù)離(lí)子(zǐ)（CDI）工(gōng)藝由于環境友(yǒu)好(hǎo)和(hé)可(βkě)在環境條件(jiàn)下(xià)運行(xíng)而受到(dào)廣泛關注。在各種電(diàn)極炭材料中，單壁碳納米管（SWCNT）電(diàn)極的(de)電(diàn)®吸附、電(diàn)荷補償機(jī)制(zhì)及其影(yǐng)響因素仍然缺乏研究。

近(jìn)日(rì)，清華大(dà)學深圳國(guó)際研究生(shēng)院張錫輝團隊在揭示碳納米管電(diàn)極脫鹽過程複雜(zá)動力學機(jī)制(zhì)上(shàng)•取得(de)新進展。該團隊采用(yòng)分(fēn)子(zǐ)動力學（MD）方法，模拟了(le)手性指數(shù)¶分(fēn)别為(wèi)9,10,15的(de)扶手椅式SWCNT在作(zuò)為(wèi)CDI系統的(de)電(diàn)極λ時(shí)，其內(nèi)部的(de)水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)和(hé)電(diàn)解質的(de)結構、電(diàn)荷補償機(jī)制(zhì)、離(lí)子(zǐ)動态和(hé)β脫鹽性能(néng)，并詳細展示了(le)SWCNT不(bù)同的(de)孔徑和(hé)親疏水(shuǐ)性的(d↔e)影(yǐng)響。

模拟結果顯示，電(diàn)極充電(diàn)後在W（9,9）的(de)CNT中心出現(xiàn)了(le)D（9,9）中所沒有(yǒu)的(de)水(shuǐ)鏈；所有(yǒu)的(de)CNT≤中水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)都(dōu)形成了(le)環狀結構，其中（15,15）的(de)CNT中存在多(duō)個(gè)共中心水(shuǐ)環。對(dβuì)電(diàn)極的(de)電(diàn)荷補償機(jī)制(zhì)的(de)分(fēn)析（圖1a）表明(míng)，D（9₩,9）和(hé)D（10，10）的(de)CNT中僅存在反離(lí)子(zǐ)吸附的(de)過程，而對(duì)應手性指數(shù)的(de)親水(shuǐ)CNT中則同時(shí)存在反離(l í)子(zǐ)吸附、共離(lí)子(zǐ)排斥和(hé)離(lí)子(zǐ)交換三種機(jī)制(zhì)。這(zhè)是(shì)因為(wèi)在充電(diàn)前，親水(shuǐ)的(™de)CNT孔中含有(yǒu)更多(duō)的(de)水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)和(hé)電(di✔àn)解質離(lí)子(zǐ)，在通(tōng)電(diàn)後孔中存在的(de)這(zhè)些(xiē)共離(lí)子(zǐ)會(huì)被排斥出電(diàn)極孔外(wài)。而在更大(dà)的γ(de)（15,15）電(diàn)極孔中，則無論CNT的(de)親疏水(shuǐ)性如(rú)何都(dōu)同£時(shí)存在上(shàng)述三種電(diàn)荷補償機(jī)制(zhì)，但(dàn)是(shì)通(tōng)過充電(diàn)前6 ns電(diàn)極孔中離 (lí)子(zǐ)動态的(de)示意圖（圖1b）可(kě)以看(kàn)出，親水(shuǐ)的(de)（15，15）孔中明(míng)顯有(yǒu)著(zhe)遠(yuǎn∏)比疏水(shuǐ)（15，15）孔中更多(duō)的(de)共離(lí)子(zǐ)排斥和(hé)離(lí↕)子(zǐ)交換。

圖1 （a）CNT-CDI系統的(de)反離(lí)子(zǐ)吸附、同離(lí)子(zǐ)排斥和(hé)離(lí)子(zǐ)交換的(de)不(bù)同電(diàn)荷補償機(jī)制(z₹hì)；（b）在6 ns充電(diàn)時(shí)間(jiān)內(nèi)CNT-CDI系統的(de)電(™diàn)荷補償機(jī)制(zhì)。（藍(lán)色表示孔隙和(hé)儲層之間(jiān)的(de)離(lí)±子(zǐ)交換尚未開(kāi)始）

該研究計(jì)算(suàn)了(le)不(bù)同孔徑和(hé)親疏水(shuǐ)性的(de)CNT電(diàn)φ極CDI系統的(de)鹽吸附容量（SAC）和(hé)鹽吸附率（SAR），以比較不(bù)同CNT電(diàn)極的(de)☆脫鹽效率（圖2）。結果顯示CNT-CDI系統的(de)脫鹽效果受到(dào)電(diàn)極孔徑和(hé)親疏水(shuǐ)性的(de)共同&影(yǐng)響，其中W（9,9）具有(yǒu)最高(gāo)的(de)SAC和(hé)SAR。由于電(diàn)解質被截留在封閉的(de)CNT孔隙中，所以其遷移受到(dào)了(l≤e)更多(duō)的(de)限制(zhì)。然而由于電(diàn)極孔內(nèi)的(de)離(lí)子(zǐ)和(hé)帶電(diàn)的(de)壁面內(nèi)共同對(duì)"CNT內(nèi)的(de)水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)結構的(de)擾動，反離(lí)子(zǐ)進入納米孔的(de)電(diàn)阻率有(yǒu)所降低(dī)。

圖2 圖中左軸代表CNT-CDI系統電(diàn)吸附/排斥離(lí)子(zǐ)數(shù)，而右側黑(hēi)軸代表CNT-CDI系統中SAC，紫色軸代表SA R

該項工(gōng)作(zuò)還(hái)計(jì)算(suàn)了(le)在充電(diàn)和(hé)未充電(diàn)的(de)親水(shuǐ)/疏水(shuǐ)（9,9）$CNT孔中封閉水(shuǐ)的(de)相(xiàng)對(duì)介電(diàn)常數(shù)，及介電(diàn)±常數(shù)在軸向和(hé)徑向上(shàng)的(de)分(fēn)量。親水(shuǐ)性納米管內(nèi)封閉₽水(shuǐ)的(de)介電(diàn)常數(shù)比疏水(shuǐ)性納米管內(nèi)的(de)要(yào)高(gāo)。≈空(kōng)間(jiān)的(de)限域增加了(le)介電(diàn)常數(shù)的(de)軸向分(fēn)量，而徑向分(fēn)量降低('dī)，這(zhè)使得(de)不(bù)帶電(diàn)的(de)D（9,9）內(nèi)的(de)‌整體(tǐ)介電(diàn)常數(shù)下(xià)降至42.8。

該項研究成果以“碳納米管電(diàn)極內(nèi)部疏水(shuǐ)性和(hé)親水(shuǐ)性脫鹽分(fēn)子(zǐ)動力學機(jī)理(lǐ)&rdquo€;（Molecular insights on capacitive deionization mechanisms i‍nside the hydrophobic and hydrophilic carbon nanotube channel electrodes）為(wèi)題，發表在國(guó)ε際期刊《材料化(huà)學A》（Journal of Materials Chemistry A）上(shàng)，并被遴選為♠(wèi)當期封面論文(wén)。

清華大(dà)學深圳國(guó)際研究生(shēng)院張錫輝教授為(wèi)論文(wén)通(tōng)訊作(zuò)者，清華大(dà)學深圳國(guó)際研究'生(shēng)院2019級博士生(shēng)Farzin Saffarimiandoab為(wèi)第一(yī)作(zuò)者™。該項目得(de)到(dào)廣東(dōng)重大(dà)科(kē)技(jì)專項經費(fèi)和(hé)深圳市(shì)水(shuǐ)務局項目經費(f èi)支持。