1. 介紹了電化學脫鹽的優勢和研究現狀，并強調了需關注的相關性能指標。從含鹽介質中高效去除離子，對清潔水和可再生能源可持續發展極為重要。盡管重點是飲用水的產生，但海水淡化和離子分離對制造業、農業和采礦業同樣重要。目前，大規模的水凈化和處理大多采用熱脫鹽或反滲透（膜脫鹽）。盡管這些技術具有可靠且有效的優勢，但不斷增長的水修復需求需要更便宜、更可持續的技術，并進一步降低能源消耗。電化學過程的優勢在于高循環效率和良好的可逆性，對下一代水處理和凈化具有很大的吸引力。電容法去離子（CDI）技術利用電荷去除離子，在循環運行過程中，電荷和能量不會丟失，且會部分恢復，因此這種裝置具有脫鹽和儲能的雙重用途。傳統CDI使用碳基材料作為電極，然而，碳的電荷儲存能力不高(~100-200 F g-1)，無法在高摩爾強度下去除滲透選擇性離子。為了克服碳基離子電吸附脫鹽的局限性，CDI界已經開始探索不同的電化學過程（圖1），不再局限于物理電吸附。在電解質和電極之間的液-固界面上電荷轉移，包括表面氧化還原結合、離子插入、轉化反應或氧化還原活性電解質的電荷補償等，被引入用于水的修復。電荷轉移材料可以在高離子濃度的水介質中工作，從而實現電化學海水淡化。此后，各種電極材料被用于脫鹽，并擴展到一系列水修復應用，包括重金屬和有價元素移除、水軟化、離子分離和水消毒。基于上述背景，德國萊布尼茨新材料研究所、薩爾大學的Volker Presser團隊在Nature Reviews Materials上發表綜述文章，首先介紹電化學脫鹽的性能指標和脫鹽池結構。然后討論了電化學過程中離子的去除機理，即離子電吸附、離子插入（或插層）、轉化反應和氧化還原電解質的電荷補償。對于電化學脫鹽，電極上的電荷由陽離子和陰離子的離子電荷進行補償。衡量該過程脫鹽能力的相關指標包括以下方面：（1）鹽吸附容量：評價電化學脫鹽技術最常用的性能指標之一，基于每單位質量電極上去除鹽的質量。通過記錄單元流入和流出濃度之間的差的時間積分，并乘以通過單元的流量，計算出該度量：這里，v是流速（l min?1），cdt是鹽濃度隨時間的函數（mol min l?1），t0和ti分別是脫鹽過程的開始和結束時間，M是鹽的分子質量，m是電極的質量（g）。（2）除鹽效率或電荷效率：除去的鹽與投入的電荷之比：其中F是法拉第常數（26.801 Ah mol-1），ns是每半個循環中除去的鹽摩爾數，Qcharge是充電期間累積的總電荷（Ah）。其中Qdischarge（Ah）是放電過程中回收的電荷。（4）脫鹽的完成速度：以mg g-1 s-1或mol g-1 s-1為單位的度量：（5）流量效率：取決于停留時間（離子穿過脫鹽池的時間）和脫鹽期間的半周期時間：其中f是孔隙溶液的表觀速度（cm s-1），n是電極組中電極之間的界面數，L是電極厚度（cm），p是電極的孔隙率，T是半周期時間（s）。（6）水回收率：通常與處理后的水體積（V）和脫鹽后的水體積（V）有關，并且強烈依賴于單元操作的參數（即流速、流道體積和半周期時間）：制造一個高分離系數的電極對于提高有價值元素的濃度或去除微污染非常重要。因此，隨著材料化學的發展，人們越來越需要建立標準化的選擇性指標，來量化離子分離效果。分離因子是用于量化化學分離選擇性的標準度量，對于分子物種（A和B）的二元體系，吸附過程的分離因子SA/B可定義為：評價電化學海水淡化的能耗是開發高效節能技術的關鍵，尤其是與其他水處理方法進行比較。評估能量消耗的最簡單指標是比能量消耗，可以通過如下公式給出：式中，Ein和Eout分別為充電時投入的能量和放電時回收的能量，c0為進料濃度。電化學脫鹽系統的技術經濟性和可行性分析十分重要。對不同的電化學脫鹽技術分析表明，外加電流密度、進水濃度、電極和系統電阻、電極孔隙率等參數影響了除鹽性能指標。結果顯示，膜CDI的脫鹽能力、充電效率和熱力學效率均高于傳統CDI和流動電極CDI。因這部分不是本文重點，不過多介紹。根據流動通道的數量對脫鹽池設計進行分類，如圖2所示，分為單通道、雙通道和三通道設計。這種分類與機制無關，同等適用于電吸附和電荷轉移過程。脫鹽池設計、操作和由此產生的脫鹽性能之間存在著復雜的關系，使得比較不同的電極材料及其配對變得困難。分析電極對時，電極設計很重要，因為脫鹽動力學受電化學過程和從體相電解質到固液界面的擴散速率控制。在系統級別，這一問題變得更為重要，因為可能包括電極對陣列和多個模塊。電化學脫鹽機制包括靜電離子固定（常規CDI）、氧化還原活性表面的離子結合、插入過程或轉化反應中的離子吸收以及通過氧化還原活性聚合物和氧化還原活性電解質的電荷補償去除離子（圖1）。儲能機制的變化在充放電行為中可以得以體現，如循環伏安圖的形式（圖1）。即使在離子交換膜和電壓倒置的情況下，碳電極的脫鹽能力也受到碳材料電荷存儲容量的限制。對于傳統的CDI，典型值在10-30 mg g-1范圍內（表1），但對于使用交換膜和更高的鹽濃度，最大值可達20-60 mg g-1。研究表明，篩選離子電荷的能力取決于碳材料的電子結構，改變碳電極的晶態有序度或雜原子摻雜是提高碳電極界面電容的兩種常用方法。另一個問題是碳電極在高濃度溶解氧的鹽水介質中，會發生電化學降解。陰極側溶解氧的還原產生腐蝕性過氧化氫，導致性能逐漸下降。這個問題可以通過兩種方式解決，使用陽離子交換膜來限制過氧化陰離子或通過引入催化活性材料（如二氧化鈦）來改變碳表面的氧還原反應。氧化還原活性、導電聚合物是電化學脫鹽（圖1b）的理想材料，特別是用于選擇性離子分離：導電聚合物通過增加導電性和呈現帶電表面基團來增強電極對目標離子的選擇性，并提高其去離子效率。傳統上，電活性聚合物在各種傳感器、儲能和存儲器中都有應用。從集流體到聚合物的離散電子轉移調節電極表面對帶電物種，甚至不帶電物種的親和力（圖4）。在許多情況下，電荷注入或撤回通過激活特定的相互作用或改變宏觀性質顯著地影響電極的離子選擇性。通過合理的設計，調節離子-電極的相互作用可以提高對特定離子的除鹽能力和選擇性。通過離子插入（或插層）實現水脫鹽是指將陽離子或陰離子插入電極材料的特定或非特定間隙位置（圖1c）。插入材料通常是晶體和高度有序的，但較低有序結構或非晶材料也可以可逆地容納離子。大多數插入材料可以容納陽離子（例如，Li+、Na+和K+），一些材料（例如MXenes）可以同時容納陰離子和陽離子。根據體積膨脹和結構可逆性，更大的間隙位置具有更高的循環穩定性、更大的離子存儲容量和更快的離子擴散動力學。插入材料的電化學電流-電位特征變化很大，從插入非特定位置的贗電容特征到插入特定位置的電池平臺。離子插層材料分類方面，從離子插入材料的插入位點的維數（圖5a）考慮，該類材料可以分為一維、二維和三維插入材料。經過轉化反應，該類材料（圖1d）可轉化為新相（圖5e，左）。這些材料具有很高的電荷容量，因此具有很高的脫鹽能力。使用合適的雙通道脫鹽池和陰離子特異性轉換型材料，通過轉換反應實現陰離子的大量去除。與此同時，陽離子通過電荷平衡除去。迄今為止，只有兩種轉換型材料被用于電化學脫鹽，即銀和鉍，都是陰離子特異性的。上述脫鹽方法都依賴于在大塊材料或電活性界面上的電吸附或法拉第反應。通過改變脫鹽池結構，即使只有陽離子或陰離子參與，電化學脫鹽也可以實現，因為雙通道系統就是通過電荷補償方式來強制去除大量鹽。電荷補償也可用于使用氧化還原活性電解質進行電化學脫鹽（圖1e），在這種情況下，去除的陰離子和陽離子都不直接參與電荷轉移過程。溶解在電解液中的氧化還原活性離子（如I-或[Fe（CN）6]3-）可通過在電解液-電極界面接受或提供電子來改變其氧化狀態（圖6a）。在給電極充電時，可移動的氧化還原活性陰離子在電極界面附近擴散，并迅速將電子轉移到電極。由于擴散路徑短和碳納米孔的限制，離子傳輸可以非常快，在某些情況下，比傳統的離子電吸附過程更快。隨后，活性離子的氧化狀態發生變化，從固液界面擴散出去。因為反應通常涉及一個以上電子的轉移，所以氧化還原活性電解質可提供高電荷儲存容量（例如，168 mAh g-1，1 M NaI）。電荷轉移材料和工藝在脫鹽能力、脫鹽效率、電極對的多樣性以及對不同鹽濃度的適應性等方面都可以超過傳統的碳材料。然而，對這幾種材料進行直接的對比較為困難，只有在可比較的條件下進行測試，才有可能建立比較性能指標。然而，可以確定不同種類的電荷轉移材料相關的一些優點和缺點，如表2所示。電荷轉移材料不僅在海水淡化中顯示出巨大的應用前景，而且應用于離子分離和選擇，例如去除有毒離子和回收有價值的元素。例如，鋰離子電池的重要性與日俱增，人們對鋰提取的方法提出了更高的環保節能要求。傳統的鋰提取工藝包括一系列耗時且昂貴的沉淀步驟。因此，從海水或高鋰離子濃度的來源廢水中提取鋰極具吸引力。另外，電化學脫鹽針對砷、鎘、鉻、鉛等重金屬的提取，可以實現該方法的環境應用。電荷轉移材料的采用為電化學脫鹽技術帶來了新的機遇，從提高離子選擇性到直接脫鹽高濃度鹽介質，包括海水。隨著該領域的成熟，電化學脫鹽的路線圖將更加清晰。最終，我們能夠為脫鹽系統的定制一個材料、脫鹽池結構和操作參數庫。提高選擇性目前是電化學脫鹽技術的一個主要目標，而電荷轉移材料已經成為實現這一目標的主要研究對象。具有定制和可調離子選擇性的電極材料可以有針對性地去除污染物，并能夠從海水或采礦廢水中富集貴重元素。總的來說，電荷轉移材料在電化學脫鹽的能量效率方面具有本質的優勢，通過結合高脫鹽能力、低電池電壓和高可逆性，這些材料實現了低能耗、高效率的脫鹽。Pattarachai Srimuk, et al. Charge-transfer materials for electrochemical water desalination, ion separation and the recovery of elements, Nature Reviews Materials, 2020.DOI: 10.1038/s41578-020-0193-1https://www.nature.com/articles/s41578-020-0193-1
