合肥研究院在电容去离子技术选择性硬水软化研究中获进展

近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米材料与器件技术研究部环境与能源纳米材料中心团队基于电容去离子技术，发展出铜基普鲁士蓝（CuHCF）选择性吸附电极。基于其独特的晶体通道及特有的赝电容效应，该电极展现出高效的选择性电吸附钙离子能力。该研究对硬水软化技术具有重要意义。

水的硬度是世界各国普遍存在的水质问题。自来水、地面水、河水等常见的硬水一般由钙、镁离子引起，导致洗涤剂作用减弱，锅炉、管道、热交换器结垢，降低热导率，增加能耗，严重时甚至会导致管道堵塞和锅炉爆炸。长期饮用硬水会增加人体泌尿系统结石的得病率，因此，硬水的软化处理得到高度关注。然而，现有的硬水处理技术（如化学沉淀法、离子交换、膜过滤、电絮凝、反渗透等），维护费用昂贵、能源消耗高、所需基础设施复杂，还需过度使用化学物质。近年来，电容去离子技术（Capacitive Deionization，CDI）作为一种新型的水处理技术，具有操作方便、环境友好、能耗低等优点，引起学界关注。目前，用于CDI水处理技术的电极材料多为碳材料，缺乏目标离子的高效选择性；具有高比电容的赝电容材料因其特有的离子选择性，有望用于CDI硬水软化领域。

为此，研究人员基于Ca²⁺离子的插层作用，首次利用CuHCF作为赝电容电极，在Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等多种阳离子混合溶液中，对Ca²⁺实现高选择性电吸附（图1）。在非对称电容去离子装置中，1.4 V工作电压下获得42.8 mg/g的钙离子最大吸附容量，尤其是在高钠/钙离子摩尔比（10：1）溶液中，仍保有最高吸附选择性系数3.05；在循环过程中，CuHCF电极材料能够保持原有的形貌和稳定的吸附容量（图2）。研究人员利用第一阶、第二阶动力学和等温吸附曲线，分析CuHCF电极材料的赝电容吸附行为；结合电化学表征及分子动力学模拟技术，阐明CuHCF电极材料选择性吸附钙离子的赝电容本征特性（图3）。该研究有利于探索CDI赝电容电极材料高效选择性电吸附目标离子及CDI硬水软化技术。

相关研究成果以Selective Pseudocapacitive Deionization of Calcium Ions in Copper Hexacyanoferrate为题，发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。研究工作得到科技部国家重大研发专项、国家自然科学基金委基金项目的支持。

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图1.CuHCF基电容去离子技术以及选择性电吸附钙离子示意图

图2.（a）CuHCF电极在1.4V下电吸附钙离子的动力学行为；（b）CuHCF电极在1.4V下钙离子等温吸附曲线；（c）在高钠/钙离子摩尔比溶液中钠和钙离子吸附量；（d）在高钠/钙离子摩尔比溶液中钙离子吸附选择性系数

图3. CuHCF电极在1.0 M CaCl₂电解液中的（a）循环伏安曲线，（b）在不同扫速下赝电容贡献率，（c）不同电解质溶液中的循环伏安曲线，（d）分子动力学模型示意图