科学网—深圳大学邓立波等：尖端效应增强局部流场，实现高效流动电极电容去离子
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2024-12-19 10:23
| 系统分类: 论文交流
研究背景
近年来，流动电极电容去离子(FCDI)作为一种新兴的海水淡化技术，因其在水体净化与离子回收领域的巨大应用潜力而备受关注。在FCDI系统中，集流体是核心组件之一，其决定流动电极与外部电源之间实现电荷交换效率。集流体的结构直接影响系统中的电荷传递过程及流场-电场的分布。
传统的集流体多采用二维(2D)石墨材料，并常与蛇形流道相结合。然而，由于二维集流体与流动电极的接触不良，其电荷传递速率较低。同时，在低电位下，传统集流体仅能产生较弱的电场，导致离子迁移速度受限，从而影响系统整体的脱盐效率。因此，优化传统二维平面集流体的设计，提升电荷传递与电场分布性能，对提升FCDI脱盐性能至关重要。
Locally enhanced flow and electric fields through a tip effect for efficient flow-electrode capacitive deionization
Ziquan Wang, Xiangfeng Chen, Yuan Zhang, Jie Ma, Zhiqun Lin, Amor Abdelkader, Maria-Magdalena Titirici, Libo Deng*
Nano-Micro Letters (2025)17:26
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01531-
1. 采用 不锈钢尖端阵列 结构取代传统集流体的平面结构。
2. 优化后的流场与电场降低了 电荷传递 及 离子输运 阻力。
3. 采用尖端阵列集流体增强了流动电极电容去离子系统的 脱盐性能 。
内容简介
传统集流体设计往往存在电荷转移与离子传输效率低下的问题，导致流动电极内弱湍流和低电场强度成为制约流动电极电容去离子(FCDI)系统性能的瓶颈。针对这一挑战，本文设计了一种新型尖端阵列集流体(T-CC)，以替代传统的平板集流体。该集流体通过尖端阵列的独特结构设计，大幅提升了电荷传递与离子输运能力。
深圳大学邓立波等人 采用模拟分析与电化学阻抗谱系统地研究了尖端阵列对FCDI系统内流场和电场分布的影响，揭示了尖端效应能够有效降低离子传输壁垒、减小电荷传递阻抗，并降低系统内阻。当电压从1.0 V增加至1.5 V和2.0 V时，基于T-CC的FCDI系统(T-FCDI)的平均除盐率(ASRR)分别达到0.18、0.50和0.89 μmol cm⁻² min⁻¹，相较传统蛇形集流体分别提升了1.82、2.65 和 2.48倍，而相较于平板集流体分别提升了1.48、1.67和1.49倍。此外，当流动电极的固体含量由1 wt%提升至5 wt%时，T-FCDI的ASRR从0.29 μmol cm⁻² min⁻¹增长至0.50 μmol cm⁻² min⁻¹，分别是平板集流体的1.70倍和1.67倍。经过24小时的连续脱盐实验中，T-FCDI的除盐效率高达99.89%，并且电荷效率始终保持在95%以上，展现出极为优异的长期稳定性。这些结果表明，新型尖端阵列集流体设计能够有效提升FCDI系统的脱盐性能，具有广阔的应用前景，为未来高效、低能耗的水体净化与离子回收技术奠定了坚实的基础。
图文导读
I 系统配置与集流体设计
本文所使用的FCDI系统结构如图1a所示。采用亲水性良好的316L不锈钢，通过3D打印技术分别制备了两种类型的集流体，分别命名为平板集流体(P-CC)和尖端阵列集流体(T-CC)。经模拟筛选后(详见支撑信息)，最终选定的T-CC形貌如图1b所示。该集流体的尖端呈锥形设计，底部直径为2 mm，高度为1 mm，能显著提升流体分布和电场强度。进一步通过能谱分析(EDS)确认了集流体的组成元素，包括Fe、Cr、Ni和Mo。图1c和1d展示了两种不同集流体应用于FCDI系统中的结构，分别命名为P-FCDI和T-FCDI。
图1. (a)三腔室FCDI系统结构图; (b)P-CC和T-CC的FE-SEM图像和EDS元素图谱; (c, d)搭载不同集流体的FCDI装置示意图。
I I 模拟计算分析
2.1 CFD与颗粒追踪仿真
为研究不同集流体对流动电极的流体动力学影响，本文建立了固含量为5 wt%的流动电极CFD模型，并模拟了不同入口流量下的流速分布(图2a)。结果表明，无论是P-CC还是T-CC，均存在明显的边界层效应，即靠近壁面的流速低于流道中部(图2b、c)，易导致边界层中颗粒沉积、电荷传导效率降低。在P-CC中，流动电极呈现规则的层流分布，未见明显湍流特征。而在T-CC中，由于通道变窄，浆料通过尖端区域时流速显著增加，形成局部高流速区。这种结构显著改善了集流体中的流体分布(图2d)，尤其在高流速条件下，T-CC的平均流速相较于P-CC明显提升，表明T-CC结构能够增强局部流场强度。此外，图2e和图2f分别展示了P-CC与T-CC中碳颗粒的速度分布情况。在P-CC中，边界层颗粒的移动速度较慢，而流动层中的颗粒速度较快但分布稀疏，表明整体电荷传导效率较低。相对而言，T-CC中碳颗粒呈现波状运动(图2f)，即尖端结构能够有效扰动边界层，将带电粒子从边界层中转移至流动层。因此，T-CC增强了垂直流动方向的粒子相互作用，减少了碳颗粒在边界层的积累，提升了系统内电荷渗透效率，从而显著提高了FCDI系统的整体脱盐性能。
图2. (a)不同体积流量下的P-CC和T-CC的流速分布；(b)P-CC和T-CC在截面方向上的速度分布；(c)P-CC和T-CC的流速箱形图；(d)P-CC和T-CC中颗粒的速度分布，其中体积流量设为15 mL min⁻¹。
2.2 电场模拟
图3为不同电压下P-FCDI和T-FCDI的内部电场分布，结果显示，P-FCDI的电场分布均匀且平行，电场强度随电压增加而增大。当电压从1.0 V升至3.0 V时，平均电场强度从113 V/m增至333 V/m。相比之下，T-FCDI在尖端附近表现出显著的电场增强效应。随着电压从1.0 V增至3.0 V时，平均电场强度从119 V/m提升至358 V/m，且尖端最大电场强度达到1840 V/m(约为平面区域电场强度的5.2倍)。增强的电场延伸至离子交换膜表面，为离子迁移提供了更高驱动力。
图3. P-FCDI、T-FCDI及T-CC尖端电场分布仿真结果。
图4 显示了P-CC和T-CC表面电荷密度分布。结果表明，P-CC的电荷密度分布均匀，随着电压升高，平均表面电荷密度从69 nC/m²增至207 nC/m²。相比而言，T-CC则在尖端区域表现出显著的电荷汇集，随电压升高其表面电荷密度从104 nC/m²增至314 nC/m²，并呈火山状分布(尖端密度较高，而远离尖端时逐渐减小)，表明尖端效应在较低电压下提供了更大电场驱动力，提升了离子迁移效率和系统脱盐性能。
图4. P-FCDI、T-FCDI和T-CC尖端表面电荷密度分布的仿真结果。
II I EIS-DRT分析
本文对不同条件下的FCDI系统进行了电化学阻抗谱与弛豫时间分布分析(EIS-DRT)。以不含碳颗粒(0 wt%)的流动电极FCDI系统(即ED系统)为例，盐水盐度固定为3.5 g/L，流速从0增加至30 mL/min，流动电极流速固定为30 mL/min，所得DRT图如图5a所示。结果显示，弛豫时间约40 s的最高峰随盐水流速增加而减小，这表明离子传输过程得以改善。流速的提升缩小了离子交换膜(IEM)附近的扩散层厚度，从而缓解了IEM表面的浓差极化。图5b、c展示了不同盐水浓度下ED系统与流动电极固含量为5 wt%的FCDI系统的DRT图。结果表明，盐水浓度越高，离子输运阻抗越低。图5d显示了不同流动电极流速下FCDI系统的DRT图，结果表明流动电极流速对离子传输阻抗的影响大于盐水流速。对DRT数据进行对数变换后，图5e展示了ED系统的电化学过程，包括电荷传递、电极腐蚀和产气反应。FCDI系统的DRT图(图5f)在短弛豫时间区域出现新峰，表明流动电极的电荷传递过程。进一步分析不同固含量的FCDI系统(图5g、h)显示，固含量的增加降低了离子传输阻抗和内阻，促进了更丰富的导电网络的形成。
图5. 不同条件下的DRT图谱：(a)不同盐水流速；(b)不同盐水浓度，其中流动电极固含量为0%；(c)不同盐水浓度，其中流动电极固含量为5wt%；(d)不同流动电极流速；(e，f)不同盐水浓度下ED系统与FCDI系统的DRT对数变换图；(g，h)不同流动电极固含量的高弛豫区域与低弛豫区域，其中内嵌图为内阻与固含量的依赖关系。
图6a展示了最低弛豫时间峰(P1)对应流动电极的电荷传输过程；图6b展示了系统内部电阻(IR)及其等效电路模型；图6c将最长弛豫时间峰(P2)归因于离子传输过程。在图6d中，本文总结了P1、P2峰强度及IR随操作条件变化的趋势，结果表明，较低的P1和P2峰强度以及IR有助于提高脱盐性能。
图6. (a)流动电极的电荷转移过程示意图；(b)系统内阻示意图；(c)离子输运过程示意图；(d)P1、P2和IR与操作条件的关系；向上箭头和向下箭头表示正相关和负相关，水平箭头表示两个变量之间不存在明显的相关性。
为了验证T-CC的强化效果，作者构建了不同集流体组合的双电极FCDI系统，包括双P-CC(P-P FCDI)、P-CC与T-CC组合(P-T FCDI)以及双T-CC(T-T FCDI)。图7展示了这些系统的奈奎斯特图。结果显示，T-T FCDI的内阻为13.83 Ω，低于P-T FCDI(14.00 Ω)和P-P FCDI(14.40 Ω)(图7b)。图7c和图7d的DRT图进一步表明，T-T组合具有最低的离子传输势垒和电荷传递阻抗，证明了T-CC为FCDI系统提供了最优的流场和电场分布。
图7. 搭载不同集流体组合的FCDI系统的(a)全频和(b)高频区的Nyquist图；搭载不同集流体组合的FCDI系统的(c)高弛豫区域和(d)低弛豫区域的DRT图谱。
IV 脱盐性能测试
为评估不同集流体配置对FCDI系统脱盐性能的影响，在5 wt%固体含量和3.5 g/L盐水盐度下测试了P-FCDI、T-FCDI和S-FCDI(搭载常规蛇形流道集流体的系统)。结果显示，T-FCDI在所有电压下均具有最高的平均盐去除率(ASRR)和能量归一化除盐率(ENRS)(图8a)。在1.5 V下，T-FCDI的ASRR为0.50 μmol cm⁻² min⁻¹，是P-FCDI(0.30 μmol cm⁻² min⁻¹)和S-FCDI(0.19 μmol cm⁻² min⁻¹)的1.67倍和2.65倍；ENRS分别为7.12 μmol J⁻¹，分别高于P-FCDI(5.65 μmol J⁻¹)和S-FCDI(3.80 μmol J⁻¹)1.26倍和1.87倍。
T-FCDI的高电荷效率(CE)归因于三个方面：1)T-CC增强局部电场强度，提升离子迁移驱动力；2)优化电场与流场，促进流动电极与碳颗粒间的电荷传递，降低电荷损失；3)电荷在碳颗粒表面均匀分布，提升电场强度，增加离子存储能力，从而改善离子输运动力学。此外，作者对流动电极固含量对性能的影响也进行了研究。如图8b所示，ASRR、ENRS和CE均随固含量增加而提升，5 wt%时达到峰值，随后下降。低固含量下难以形成三维导电网络，导致电荷和离子传输动力学差；而固含量过高则易导致沉积和堵塞，增加电荷损耗，使CE降低。图8c展示了不同电压下ED和FCDI系统的CE变化。随着电压增加，FCDI系统的CE下降，ED系统的CE则先上升至约90%后在2.5 V以上略有下降。图8d显示了不同电压下ASRR增强量和FCDI贡献量的变化。随着电压升高，ASRR的增强量先增大后减小，1.5 V时达到最大值(66.9%)，而在2.5 V(8.8%)和3 V(6.0%)时几乎可以忽略不计。FCDI贡献量变化趋势与ASRR增强量相似，在1.5 V时达到最大值(T-FCDI为63.9%，P-FCDI为48.5%)。
综合分析表明，FCDI离子传质及T-CC的强化作用机制如下(图8e)：在低电压下，离子迁移的电位梯度较低，电渗析的贡献不显著，电容吸附过程占主导，表现为FCDI型的离子捕获；而在较高电压下，FCDI系统的行为与电渗析(ED)系统相似，但FCDI因流动电极改善导电性仍展现出略微的性能增强。此外，T-CC的增强机制(图8f)主要体现在FCDI模式下，T-CC在优化流动电极的流场和电荷转移方面的性能提升效果，超过了其单纯依赖电场增强的作用。因此，T-CC在FCDI模式下显著提高了系统性能，而在ED模式下效果不明显。
图8. (a)S-FCDI、P-FCDI和T-FCDI的ASRR和ENRS；(b)不同流动电极固含量T-FCDI的ASRR和ENRS；(c)搭载不同集流体的ED和FCDI系统的CE对比；(d)T-FCDI对ASRR的强化量及T-FCDI和P-FCDI中的FCDI贡献量；(e)依赖电压的FCDI离子传质机制示意图；(f)T-FCDI增强机制示意图。
图9a展示了T-FCDI系统在24小时连续脱盐实验中的模拟海水浓度变化，从3.5 g L⁻¹(Na⁺浓度为1375.9 ppm)降至3.85 mg L⁻¹(Na⁺浓度为1.56 ppm)，整体脱盐效率(SRE)高达99.89%。在整个测试过程中，T-FCDI的电荷效率(CE)始终保持在95%以上，表现出优异的长期稳定性。图9b对比了P-FCDI和T-FCDI在不同水质标准下的生产率。T-FCDI系统对饮用水(Na⁺浓度< 200 ppm)、工业用水(Na⁺浓度< 394 ppm)和灌溉用水(Na⁺浓度< 1000 ppm)的生产率分别为3.25、4.19和13.82 L m⁻² h⁻¹，分别是P-FCDI的1.82倍、1.91倍和2.51倍，显示出T-FCDI在不同水质标准下的显著优势。
图9c将本研究中开发的T-FCDI系统与文献中报道的FCDI系统进行性能对比，表明本研究的T-FCDI性能已达到领先水平。图9d展示了FCDI系统的比能耗(SEC)与生产率和脱盐效率的关系：随着生产率和脱盐效率的提高，SEC也随之增加。T-FCDI系统在淡化微咸水(如灌溉用水或盐碱地整治)中的表现突出，因为该场景下更注重生产率而非极高的脱盐效率。此外，T-FCDI系统具有低成本、体积小、易于管理的优势，非常适合作为个人、家庭或便携式水处理设备的选择。
图9. (a)P-FCDI和T-FCDI的脱盐曲线和CE曲线，其中内嵌图为实验前后Na⁺的浓度；(b)流动电极中不同固含量T-FCDI的ASRR和ENRS；(c)S-FCDI、P-FCDI、T-FCDI与已报道文献的性能对比；(d)T-FCDI的比能耗(SEC)与脱盐效率和生产率的关系。
V 总结
本文采用SLM 3D打印技术开发了一种尖端阵列不锈钢集流体(T-CC)，并将其应用于FCDI系统。CFD和颗粒追踪模拟表明，T-CC有效减缓了边界效应并强化了局部流速；电场模拟显示尖端结构显著增强了局部电场强度和表面电荷密度。此外，EIS-DRT分析证实T-FCDI具有最低的离子输运势垒、电荷传递阻抗及系统内阻。在5 wt%流动电极固含量、1.5 V电压和3.5 g L⁻¹ NaCl溶液条件下，T-FCDI的平均除盐率(ASRR)和能量归一化除盐率(ENRS)分别为0.50 μmol cm⁻² min⁻¹和7.12 μmol J⁻¹，是传统蛇形流道集流体FCDI系统的2.65倍和1.87倍。在24小时连续脱盐测试中，T-FCDI实现了高达99.89%的脱盐效率，且电荷效率始终保持在95%以上，展现出优异的长期稳定性。
作者简介
邓立波
本文通讯作者
深圳大学 特聘研究员
▍ 主要研究 领域
主要研究领域为碳基能源材料、高功率电容器、电催化剂及电化学金属资源回收。
▍ 个人简介
深圳大学化学与环境工程学院特聘研究员(博士生导师)、新能源科学与工程系副主任、深圳大学优秀青年教师。主持国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金等多项课题；在Advanced Materials、Chemical Society Reviews等期刊发表论文120余篇，总引用10000余次，H指数54，入选2019-2022年度全球前2%高被引科学家、深圳市海外高层次人才、南山区高层次人才。
▍ Email： Denglb@szu.edu.cn
撰稿： 原文作者
编辑： 《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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