清華大學深圳國際研究生院10月31日訊：為解決全球淡水資源的匱乏，通過海水淡化生產飲用水、灌溉用水和工業用水成為重要的解決方案，其中電容去離子（CDI）工藝由于環境友好和可在環境條件下運行而受到廣泛關注。在各種電極炭材料中，單壁碳納米管（SWCNT）電極的電吸附、電荷補償機制及其影響因素仍然缺乏研究。

近日，清華大學深圳國際研究生院張錫輝團隊在揭示碳納米管電極脫鹽過程復雜動力學機制上取得新進展。該團隊采用分子動力學（MD）方法，模擬了手性指數分別為9,10,15的扶手椅式SWCNT在作為CDI系統的電極時，其內部的水分子和電解質的結構、電荷補償機制、離子動態和脫鹽性能，并詳細展示了SWCNT不同的孔徑和親疏水性的影響。

模擬結果顯示，電極充電后在W（9,9）的CNT中心出現了D（9,9）中所沒有的水鏈；所有的CNT中水分子都形成了環狀結構，其中（15,15）的CNT中存在多個共中心水環。對電極的電荷補償機制的分析（圖1a）表明，D（9,9）和D（10，10）的CNT中僅存在反離子吸附的過程，而對應手性指數的親水CNT中則同時存在反離子吸附、共離子排斥和離子交換三種機制。這是因為在充電前，親水的CNT孔中含有更多的水分子和電解質離子，在通電后孔中存在的這些共離子會被排斥出電極孔外。而在更大的（15,15）電極孔中，則無論CNT的親疏水性如何都同時存在上述三種電荷補償機制，但是通過充電前6 ns電極孔中離子動態的示意圖（圖1b）可以看出，親水的（15，15）孔中明顯有著遠比疏水（15，15）孔中更多的共離子排斥和離子交換。

圖1 （a）CNT-CDI系統的反離子吸附、同離子排斥和離子交換的不同電荷補償機制；（b）在6 ns充電時間內CNT-CDI系統的電荷補償機制。（藍色表示孔隙和儲層之間的離子交換尚未開始）

該研究計算了不同孔徑和親疏水性的CNT電極CDI系統的鹽吸附容量（SAC）和鹽吸附率（SAR），以比較不同CNT電極的脫鹽效率（圖2）。結果顯示CNT-CDI系統的脫鹽效果受到電極孔徑和親疏水性的共同影響，其中W（9,9）具有最高的SAC和SAR。由于電解質被截留在封閉的CNT孔隙中，所以其遷移受到了更多的限制。然而由于電極孔內的離子和帶電的壁面內共同對CNT內的水分子結構的擾動，反離子進入納米孔的電阻率有所降低。

圖2 圖中左軸代表CNT-CDI系統電吸附/排斥離子數，而右側黑軸代表CNT-CDI系統中SAC，紫色軸代表SAR

該項工作還計算了在充電和未充電的親水/疏水（9,9）CNT孔中封閉水的相對介電常數，及介電常數在軸向和徑向上的分量。親水性納米管內封閉水的介電常數比疏水性納米管內的要高?？臻g的限域增加了介電常數的軸向分量，而徑向分量降低，這使得不帶電的D（9,9）內的整體介電常數下降至42.8。

該項研究成果以“碳納米管電極內部疏水性和親水性脫鹽分子動力學機理”（Molecular insights on capacitive deionization mechanisms inside the hydrophobic and hydrophilic carbon nanotube channel electrodes）為題，發表在國際期刊《材料化學A》（Journal of Materials Chemistry A）上，并被遴選為當期封面論文。

清華大學深圳國際研究生院張錫輝教授為論文通訊作者，清華大學深圳國際研究生院2019級博士生Farzin Saffarimiandoab為第一作者。該項目得到廣東重大科技專項經費和深圳市水務局項目經費支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/d2ta06006j