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Unleashing the power of capacitive deionization: Advancing ion removal with biomass-derived porous carbonaceous electrodes

电容去离子 材料科学 阳极 电化学 碳化 阴极 化学工程 吸附 碳纤维 离子 表面电荷 电极 复合材料 物理化学 有机化学 化学 复合数 工程类 扫描电子显微镜
作者
Hai Deng,Ziquan Wang,Minjun Kim,Yusuke Yamauchi,Stephen James Eichhorn,Maria‐Magdalena Titirici,Libo Deng
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:117: 108914-108914 被引量:111
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108914
摘要

Capacitive deionization (CDI) is a promising electrochemical technique for the removal and recycling of ions from micro-polluted wastewater but is still hindered by the co-ion expulsion effect and anode oxidation. In this study, these issues are addressed through optimization of both materials and electrochemical systems. A diverse set of porous carbons are prepared using biomass as a precursor and KOH as the activation agent. It is found that direct carbonization and/or KOH activation induce a negative surface charge, whereas intense nitrogen-doping results in an inverse surface charge for all biomass-derived carbons, characterized by the potential of zero charge (Epzc). Density functional theory calculations suggest that the carboxyl group and quaternary N contribute most among other functional groups to the negative and positive charges, respectively. A Epzc-matching asymmetric CDI system is constructed employing negatively charged and positively charged carbons as the cathode and anode, respectively. This configuration, coupled with precise optimization of the cathode-to-anode mass ratio (m-/m+), unlocks a high adsorption capacity of 17.2 mg g−1 for NaCl, surpassing the symmetric system by 84.7 %. Further fine tuning of the m-/m+ ratio results in a removal capacity of 167.4 mg g−1 for Cu2+ ions, which is the highest reported for carbonaceous materials to date.
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