将SnO?纳米颗粒原位封装到N、S共掺杂的多孔碳球中，以实现高效电容去离子化

《Desalination》：In-situ encapsulation of SnO 2 nanoparticles into N, S co-doped porous carbon spheres for high-efficiency capacitive deionization

电容去离子电极材料SnO?/N,S共掺杂多孔碳 spheres通过纳米限域策略制备，结合石墨量子点锚定和微滴反应器热传输，实现均匀封装与导电网络构建，在500 mg/L NaCl溶液中脱盐容量达39.23 mg/g，2000 mg/L时达92.23 mg/g，且对Cu2?吸附容量531.60 mg/g，表现出优异的离子选择性与循环稳定性。

　　

Xinyi Gong|Wenqing Lv|Luxiang Wang|Lijun Jin|Nannan Guo|Qingtao Ma|Xingxing Xiao

中国大连理工大学化学工程学院煤化工研究所精细化学品国家重点实验室，大连，116024

摘要

电容去离子（CDI）是一种有前景的电化学海水淡化技术，可用于解决环境污染和淡水短缺问题。SnO₂具有较高的理论离子吸附能力和环境兼容性，使其成为潜在的CDI电极材料。然而，其应用受到严重体积膨胀和较差电导率的限制，这影响了电荷传输和结构稳定性。在此，我们采用超声喷雾热解法开发了一种纳米限制策略，制备了包裹SnO₂纳米颗粒的N、S共掺杂层状多孔碳球（SnO₂/NSCS）。关键在于，石墨烯量子点（GQDs）在微滴反应器中锚定Sn⁴⁺，确保SnO₂的均匀分散和封装，同时在异质界面建立局部导电网络。这种配置通过界面电荷重新分布增强了电荷传输，并通过层状多孔结构缩短了离子扩散路径，暴露了丰富的活性位点。结果表明，在500 mg L^?1 NaCl溶液中，SnO₂/NSCS电极在50个循环内的稳定淡化能力为39.23 mg g^?1，电荷效率为0.83。在较高盐度（2000 mg L^?1 NaCl）下，电极的最大淡化能力达到92.23 mg g^?1，淡化速率为15.38 mg g^?1 min^{?1?1 Cu2+溶液中表现出优异的Cu2+吸附能力（531.60 mg g?1）和显著的离子选择性。本研究介绍了一种用于构建高性能CDI电极的封装策略，为设计废水处理材料提供了宝贵见解。}

引言

水资源短缺是一个紧迫的全球性挑战，工业化与城市化导致的重金属离子污染进一步加剧了这一问题[1]。为了有效应对日益严峻的淡水资源短缺问题，推进高效的水净化技术以处理海水、微咸水和废水至关重要[2]、[3]。传统的海水淡化技术（如热蒸馏、电渗析和反渗透）被广泛使用，但它们在处理复杂微咸水方面存在局限性，并且运营成本较高[4]。作为一种新型电化学海水淡化技术，电容去离子（CDI）凭借其低能耗、可调选择性和环境可持续性，为水净化和淡化提供了有前景的解决方案[5]、[6]。

CDI系统的淡化效率主要取决于电极材料的结构和组成特性[7]。通常，基于碳的材料（如活性炭[8]、[9]、[10]、碳布[11]和碳纳米片[13]）因其可控的孔结构、高比表面积和出色的物理化学稳定性而被广泛应用。尽管具有这些优势，这些材料仍存在内在吸附能力低、由于孔分布不合理导致质量传输缓慢以及共离子排斥引起的性能下降等问题[14]、[15]。开发兼具高淡化效率和长期循环稳定性的CDI电极材料对于更广泛的应用（特别是重金属离子去除）至关重要[16]、[17]。

因此，通过可逆氧化还原或插层过程工作的赝电容材料在CDI应用中受到了广泛关注，因为它们具有优异的电化学性能和更高的淡化能力[18]、[19]。SnO₂因其高理论吸附能力、环境友好性和对Cu²⁺的高亲和力而被认为是理想的候选材料[20]、[21]、[22]、[23]。然而，其应用受到低电导率和体积膨胀的严重限制，导致速率能力降低和循环稳定性差[24]。为了克服这些挑战，采用纳米结构化策略（如减小颗粒尺寸和将SnO₂封装在导电碳基质中）是可行的方法[25]、[26]。纳米化可以增加可利用的比表面积并缩短离子扩散路径，而碳封装则可以提高电导率并缓冲体积变化，从而共同改善淡化性能和循环稳定性[27]。此外，用杂原子（如N、P和S）掺杂碳基质可以进一步增强SnO₂与碳基底之间的电子传输，并引入丰富的吸附位点[25]、[28]、[29]。然而，在碳基质中实现SnO₂纳米颗粒的均匀分布仍是一个重大挑战，这对于优化活性位点的利用和防止团聚至关重要[30]、[31]。同时，实现纳米颗粒的均匀分散、有效的碳限制和掺杂剂的均匀性仍然具有挑战性。

超声喷雾热解（USP）技术以其能够在微滴反应器中实现瞬时均匀混合和高效热传递而闻名[32]、[33]。受此启发，我们开发了一种纳米限制策略，制备了包裹SnO₂纳米颗粒的N、S共掺杂碳球（SnO₂/NSCS）。通过利用Sn⁴⁺与石墨烯量子点（GQDs）中含氧官能团之间的锚定作用，SnO₂纳米颗粒在碳骨架中均匀锚定，同时GQDs建立了局部导电网络以增强电子传输。这种设计有效抑制了SnO₂纳米颗粒的团聚，提高了导电性，并降低了离子扩散阻力。此外，N、S共掺杂碳基质与SnO₂之间的异质界面促进了界面电荷传输，加速了离子吸附。密度泛函理论（DFT）计算表明，氮和硫的共掺杂有助于在异质界面重新分配电荷，从而改善了与离子的电子共享并降低了吸附能量，从而提高了离子吸附性能。得益于这些优势特性，SnO₂/NSCS电极在NaCl溶液中表现出高淡化能力（92.23 mg g^?1）、快速淡化速率（15.38 mg g^?1 min^?1）和优异的循环稳定性（50个循环后保留率82%）。更重要的是，SnO₂/NSCS在400 mg L^?1 Cu²⁺溶液中实现了531.60 mg g^?1的吸附能力和超过98%的去除效率。即使在存在竞争阳离子的情况下，该电极也保持了优异的选择性。这项工作提出了一种简单的方法来调节碳基质与局部导电网络的封装，为CDI电极材料的设计开辟了有效途径。

部分摘录

SnO₂/NSCS的合成

GQDs的合成按照我们之前的工作协议[34]、[35]进行。在典型的SnO₂/NSCS合成过程中，将不同量的SnCl₄·5H₂O（2、4和6 mmol）和硫脲（CH₄N₂S，12 mmol）溶解在100 mL去离子水中，连续搅拌30分钟以获得均匀溶液。然后加入1 g GQDs，再搅拌30分钟并进行25分钟超声处理，得到分散良好的胶体悬浮前驱体。

结构和形态

通过USP方法合成SnO₂/NSCS时，Sn⁴⁺离子通过静电作用与石墨烯量子点（GQDs）中的含氧官能团（–COOH/–OH）结合，锚定在GQDs的边缘，形成稳定的胶体悬浮液（图1a）[36]、[37]。SnO₂/NSCS前驱体的傅里叶变换红外（FTIR）光谱在660和560 cm^?1处显示出特征振动峰，分别对应Sn–O–Sn和Sn–O–H键（图S1）。此外，在O

结论

总之，我们采用了一种限制策略制备了用于CDI的SnO₂/NSCS复合材料，其中SnO₂纳米颗粒被封装在N、S共掺杂的碳基质中。GQDs在微滴反应器中锚定Sn⁴⁺，实现了SnO₂纳米颗粒的均匀分散和封装，同时建立了坚固的界面，从而增强了电荷传输动力学和结构稳定性。这种层状多孔结构进一步促进了离子的快速扩散。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了天山人才培训计划（2022TSYCCX0076）、国家自然科学基金（22378341和22102099）、中国博士后科学基金（2025M781080）以及煤炭重大项目（2024ZD1700400）的支持。