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Charge-transfer materials for electrochemical water desalination, ion separation and the recovery of elements

海水淡化 电化学 材料科学 化学工程 纳米技术 化学 电极 膜 工程类 生物化学 物理化学
作者
Pattarachai Srimuk,Xiao Su,Jeyong Yoon,Doron Aurbach,Volker Presser
出处
期刊:Nature Reviews Materials [Nature Portfolio]
卷期号:5 (7): 517-538 被引量:656
标识
DOI:10.1038/s41578-020-0193-1
摘要

Reversible electrochemical processes are a promising technology for energy-efficient water treatment. Electrochemical desalination is based on the compensation of electric charge by ionic species, through which the ions are immobilized and, thereby, removed from a feed-water stream flowing through a desalination cell. For decades, electrochemical desalination has focused on the use of carbon electrodes, but their salt-removal ability is limited by the mechanism of ion electrosorption at low molar concentrations and low charge-storage capacity. Recently, charge-transfer materials, often found in batteries, have demonstrated much larger charge-storage capacities and energy-efficient desalination at both low and high molar strengths. In this Review, we assess electrochemical-desalination mechanisms and materials, including ion electrosorption and charge-transfer processes, namely, ion binding with redox-active polymers, ion insertion, conversion reactions and redox-active electrolytes. Furthermore, we discuss performance metrics and cell architectures, which we decouple from the nature of the electrode material and the underlying mechanism to show the versatility of cell-design concepts. These charge-transfer processes enable a wealth of environmental applications, ranging from potable-water generation and industrial-water remediation to lithium recovery and heavy-metal-ion removal. Electrochemical processes enable energy-efficient desalination of water and the separation and recovery of elements. In this Review, we discuss the mechanisms and materials of this emerging generation of water-remediation technology.
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