近年来，有机材料作为电吸附技术中法拉第电极的有前途的候选材料引起了人们的极大兴趣。与许多含有重金属或对生态有害元素的无机物不同，有机化合物具有原料资源丰富，可再生且结构多样性等优点。更吸引人的是，有机化合物固有的赝电容反应可以通过与官能团的配位有效地捕获盐离子，且不发生任何相变，有利于脱盐过程。尽管具有这些令人惊讶的特性，但有机化合物在电容去离子装置中的应用仍处于起步阶段，因为它们在捕获离子方面的活性位点不足，并且在水溶液中具有一定程度的溶解度，这可能会影响脱盐能力和脱盐再生性能。
为了解决这一问题，江苏科技大学研究团队创造性地提出了一种含有多种活性位点的刚性有机聚合物（PNDS）用于增强赝电容去离子性能。一方面，PNDS聚合物中含有丰富的C=N和C=O官能团作为氧化还原位点，促进了大量的赝电容反应。另一方面，构建的具有增强芳香性的刚性骨架确保了PNDS聚合物在水溶液中具有优异的氧化还原稳定性。基于这种赝电容PNDS聚合物，构建的电容去离子装置具有卓越的盐吸附容量（66.4 mg g−1），快速的时间平均脱盐率（2.2 mg g−1 min−1）和稳定的再生性能，突出了其在微咸水和咸水的高效脱盐方面的巨大前景。该研究以题为 "High-Efficiency Electrochemical Desalination: The Role of a Rigid Pseudocapacitive Polymer Electrode with Diverse Active Sites" 的论文发表在《Advanced Functional Materials》,论文第一作者是研三的陶月姮同学。
【材料特征】
图1. PNDS聚合物的结构表征。
作者通过SEM、solid-state 13C NMR、TG、XRD等表征证实了所需PNDS聚合物的有效合成，且其层间的π-π相互作用保证了PNDS聚合物较高的结构完整性。值得注意的是，PNDS聚合物的Eg值较小，从而促进了PNDS聚合物中的电荷转移和氧化还原反应，降低了动力学势垒。
【电吸附行为和动力学特性】
图2. PNDS电极的赝电容性能。
图3. PNDS电极的动力学分析。
作为电极材料，PNDS聚合物在1 A g−1下具有高达390 F g−1的赝电容容量，确保了出色的Na+捕获能力。通过EIS、LOL-、LUMO-HOMO等分析共同证明了PNDS电极的快速电荷转移和增强的氧化还原活性。
【电化学稳定性和机理探究】
图4. PNDS电极的理论计算和电化学机理。
PNDS电极具有良好的循环稳定性，可在水溶液中重复捕获Na+。经过5000次循环后，PNDS电极仍具有高达96.3%的循环保持率。原位Raman和理论计算表明，PNDS聚合物中亚胺部分（C=N↔C−N−Na）和羰基部分（C=O↔C−O−Na）在整个Na+吸附和解吸过程中所表现出的高氧化还原可逆性。
【脱盐性能】
图5. PNDS//AC HCDI设备的脱盐行为。
为了充分利用氧化还原过程产生的大量电化学容量，将具有优越Na+捕获能力的赝电容PNDS聚合物电极与具有高Cl − 吸收的商用活性炭（AC）相结合，构建了不对称的电容去离子装置。该装置在1.2V下展现出卓越的除盐能力（66.4 mg g−1），出色的平均脱盐速率（2.2 mg g−1 min−1）和令人印象深刻的循环再生性能。
总结：作者合成了一种具有优化电子结构的刚性赝电容聚合物（PNDS），用于高效的电化学脱盐。这种聚合物具有多个氧化还原活性位点（C=N和C=O）、高电子离域和整体分子芳香性。此外，原位Raman和原位UV-vis等原位动态分析表明，PNDS聚合物具有高度可逆和充分的赝电容反应，可以有效捕获Na+，并且在循环过程中具有优异的结构稳定性。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202414805
来源：高分子科学前沿
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