综述：多级策略在流式电极海水淡化中的应用：从材料设计到氧化还原强化工艺

《Coordination Chemistry Reviews》：Multiscale strategies for flow-electrode desalination: From material design to redox-enhanced processes

　　

余志扬|史玉婷|高嘉欣|徐国清|张轩|史明杰

江苏科技大学材料科学与工程学院，中国镇江212003

摘要

全球淡水资源的日益稀缺凸显了开发高效海水淡化技术的紧迫性，这些技术需要能够利用非常规水源。流动电极电容去离子化（FCDI）是一种有前景的海水淡化技术，它通过电吸附将离子捕获与电极再生过程分离，从而实现连续运行。然而，其广泛应用仍受到浆料流变性质、电极导电性及整体能源效率之间固有平衡的限制。本文提出了一种多尺度工程路线图，旨在克服FCDI技术的现有局限性。我们重点评估了基于碳的流动电极，从生物基碳材料到纳米碳网络，探讨了如何在电子渗透性和水力渗透性之间实现最佳平衡。随后，文章系统探讨了如何利用金属氧化物、MXenes和导电聚合物等先进非碳材料，从物理双层电吸附过渡到高容量和动力学增强的法拉第离子捕获机制。进一步分析强调了氧化还原活性电解质添加剂的集成作用，阐明了可溶性分子介体在提升反应动力学和电荷转移效率方面的作用。最后，本文概述了FCDI技术的未来研究方向，重点关注低粘度、高导电性电极的研发，并将其应用范围扩展到选择性资源回收和循环经济领域。

引言

由于人口增长和工业扩张，全球淡水危机日益严重，这使得先进的水净化技术成为实现地球可持续性的关键[1]，[2]。虽然海洋和工业废水蕴含着巨大的水资源潜力，但其利用受到传统海水淡化技术高能耗和环境成本的限制[3]，[4]。这正是“水-能源关联”问题的核心：水净化需要大量能源，而能源生产本身又消耗了大量淡水[5]。现有的热法和膜法海水淡化技术面临三大难题：高能耗、依赖化学试剂以及大量碳排放[6]。因此，仅依靠渐进式改进无法在气候中立的框架内解决全球水资源短缺问题。亟需一场范式转变，以开发出既能高效淡化海水又能减少能源消耗和生态破坏的创新解决方案。

电容去离子化（CDI）作为一种有前景的电化学方法，利用离子电吸附实现高效海水淡化[7]，[8]。在传统CDI装置中，低压场将离子吸引到电极上产生淡水，而电极再生过程则产生浓缩盐水[9]。然而，当前的静态电极CDI方法受到吸附容量有限和批处理操作的制约，难以连续处理高盐度水体和实现大规模应用[10]，[11]。FCDI通过使用循环碳悬浮液代替静态电极，实现了重大突破[12]，[13]。通过分离吸附和再生过程，FCDI实现了真正连续且可扩展的海水淡化，较少受到反应器尺寸和电极饱和度的限制[14]。这一创新使得FCDI成为一种适用于可持续和大规模海水淡化的多功能平台。

尽管FCDI在连续淡化方面具有潜力，但其效率受到流动电极内部复杂多尺度相互作用的影响[15]。性能优化需要在不同尺度上平衡各种竞争性需求：微观尺度上的电荷转移动力学、介观尺度上的电子渗透性与浆料流动性，以及宏观尺度上的水力渗透性与能耗[16]，[17]，[18]。这一挑战的核心在于导电性、流变性质和能源输入之间的固有平衡[19]，[20]，[21]。克服这一限制需要综合策略来协调这些多尺度要求。

本文提出了一种以材料为中心的路线图，以解决FCDI技术的基本挑战，提出了一种提高其效率和可扩展性的综合策略。我们首先分析了基于碳的流动电极，探讨了其结构设计如何影响电子导电性和水力阻力之间的平衡。在此基础上，我们进一步研究了能够实现高容量法拉第电荷存储和动态离子捕获的非碳流动电极。此外，我们还评估了氧化还原活性添加剂作为分子级加速剂的作用，这些添加剂可显著降低能源消耗。最后，本文为FCDI的未来发展提出了前瞻性框架，重点关注低粘度、高导电性电极的研发，并推动其在可持续水净化和资源回收领域的应用拓展。

部分摘录

FCDI技术的基础原理和运行机制

FCDI的运行效率得益于流动电极的循环使用，从而实现了离子电吸附与电极再生过程的空间分离，如图1所示。在FCDI装置中，离子从咸水流中穿过离子交换膜并被循环流动的电极电吸附。带电的电极浆料随后被输送到外部储存容器进行再生，实现了连续运行。

基于碳的流动电极

如图6所述，FCDI的材料设计包括用于电双层（EDL）存储的碳基电极、用于法拉第/插层驱动离子存储的非碳材料，以及用于整体电荷转移的氧化还原活性电解质添加剂，这些因素共同决定了系统的淡化性能。通过使用流动悬浮电极，FCDI克服了传统固定电极CDI的饱和限制和频繁的再生周期[98]。

非碳电极材料

在基于碳的体系基础上，图6进一步展示了引入法拉第电荷存储机制的非碳材料。FCDI是一种新兴的水处理技术，其主要优势在于通过流动悬浮电极实现了吸附与再生的空间分离，理论上可实现无限量的离子吸附能力[212]，[213]。早期的FCDI研究主要使用传统碳材料。

氧化还原活性电解质添加剂

将氧化还原活性添加剂加入流动电解质中，可进一步提高FCDI的性能，促进电解质内部的电荷转移[366]，[367]。这些活性物质充当电子载体，使系统转变为流动型配置[367]，[368]。FCDI系统的效率不仅取决于电子转移动力学，还取决于氧化还原电位与水稳定窗口的匹配程度。不适当的电位可能导致系统效率降低。

结论与展望

本文建立了一个多尺度框架，用于理解和优化FCDI系统，其中材料组成、电荷存储机制和系统级运行是紧密相连的。如图6所示，碳基电极、非碳离子存储材料和氧化还原活性电解质的协同设计共同决定了下一代FCDI技术的材料体系。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了江苏省基础研究计划（编号BK20251919）、镇江市科技规划社会发展项目（编号SJC20240100056、JC2024018）以及国家水污染控制与绿色资源回收重点实验室（编号PCRRF25028）的财政支持。