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Cl-几乎存在于所有类型的水体中,其难去除且容易造成隐患。工业上,Cl-会腐蚀不锈钢设备,造成经济损失,威胁操作人员的安全。此外,高浓度的Cl-会导致土地盐碱化和地下水污染,从而阻碍动植物生长,危害人类健康。 层状结构材料氧氯化铁(FeOCl)具有丰富的元素组成和较高的理论容量,尤其是其共存的元素化合价(Fe2+、Fe3+)和较大的层空间为活性位点和客体插层提供了相当大的通道,在电化学除氯应用上具有较大潜力。然而,FeOCl 的本征电导率较低,且在吸氯/脱氯过程中存在较大的空间位移(体积膨胀 141.7%,收缩-58.6%),导致容量迅速衰减,循环稳定性很差,电极材料极易碎裂和粉化。
在该研究中,同济大学/喀什大学马杰教授团队对 FeOCl 进行了机械异质结构界面设计,通过静电自组装逐层操纵层间结构。Ti3C2Tx 的位移约束作用改善了 FeOCl(硬)和 MXene(软)的界面粘附性,避免了 FeOCl 的分解,从而拓宽了 FeOCl 在水处理领域和水系储能中的新应用。Ti3C2Tx 为脆弱的 FeOCl 披上一层柔软的导电“衣服”,在构建导电网络促进电子传输的同时作为柔性缓冲层缓解 Cl- 嵌入/脱出时发生的体积变化,同时解决了 FeOCl结构稳定性和导电性的两大棘手问题。刚柔相济的 FeOCl/Ti3C2Tx 阳极表现出优异的脱氯性能和可观的能量回收,证明了脱氯电池的可行性。 FeOCl/Ti3C2Tx 不仅在NaCl溶液中表现出最佳的除氯容量、速率、归一化能耗、长循环稳定性与能量回收,还对Cl- 浓度范围宽、水质复杂的实际自来水和循环冷却水具有优异的除氯效果。 利用原位电化学原子力显微镜对 FeOCl/Ti3C2Tx 在充放电过程中的形态演变进行了操作成像。结果表明,Ti3C2Tx对 FeOCl 的缓冲作用最为出色,相比于纯 FeOCl 的膨胀率降低了 53.71%,比FeOCl/C 的膨胀率降低了 46.16%。此外,还对 FeOCl/Ti3C2Tx 进行了原位电化学膨胀测试,以实时连续监测其在充电和放电过程中的厚度变化。结果表明,由于柔性Ti3C2Tx缓冲层的有效嵌入, FeOCl/Ti3C2Tx 对 Cl- 嵌入/脱出具有很好的可逆性和可重复性。 论文信息 Interlayer Structure Manipulation of FeOCl/MXene with Soft/Hard Interface Design for Safe Water Production Using Dechlorination Battery Deionization Jingjing Lei, Xiaochen Zhang, Junce Wang, Fei Yu, Mingxing Liang, Xinru Wang, Zhuanfang Bi, Guangyi Shang, Haijiao Xie, Jie Ma 文章的通讯作者为同济大学/喀什大学马杰教授,第一作者为博士研究生雷晶晶。 Angewandte Chemie International Edition
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