摘要：采用同源金屬V2CFx MXene作為前驅(qū)體制備了三氧化二釩@多孔碳（V2O3@porous carbon，V2O3@PC）納米片作為電容去離子（CDI）陽極，研究其脫鹽特性。實(shí)驗(yàn)探究了在不同在碳化溫度下V2O3@PC的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、潤(rùn)濕性、石墨化程度和電化學(xué)特性。研究表明，所制備的V2O3@PC呈現(xiàn)出典型的2D納米片結(jié)構(gòu)，高結(jié)晶度的V2O3納米顆粒被高石墨化度的PC牢牢束縛。這種結(jié)構(gòu)具有良好的界面潤(rùn)濕性和高導(dǎo)電性，因而可以促進(jìn)電解質(zhì)的滲透，加速界面電荷的轉(zhuǎn)移以并促進(jìn)鹽離子的傳輸和擴(kuò)散。此外，PC也能較好的抑制V2O3在多次循環(huán)后的體積膨脹。電化學(xué)結(jié)果表明，V的可逆電化學(xué)轉(zhuǎn)化在一定程度上提高了Na+的儲(chǔ)存。當(dāng)電壓為1.2 V時(shí)，NaCl電導(dǎo)率為1000 μS?cm?1時(shí)，優(yōu)化后的V2O3@PC電極具有高達(dá)2.20 mmol?g?1的脫鹽容量，0.13 mmol?g?1?min?1的脫鹽速率，62%的水回收率以及24.0 Wh?m?3的低能耗。

關(guān)鍵詞：電容去離子；三氧化二釩；金屬有機(jī)框架；麥克烯；電化學(xué)

中圖分類號(hào)：O646

1 引言

淡水資源短缺問題日益嚴(yán)重。目前，世界上近六分之一的人口依賴不安全或不穩(wěn)定的供水。隨著氣候變化和城市化/工業(yè)化用水的增加以及人均淡水需求的增加，未來淡水短缺問題將更加嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道，到2025年全球60%的人口將面臨嚴(yán)重的淡水短缺。從海水中提取淡水是解決水資源短缺最有效的方法之一1–3。

電容去離子（Capacitive deionization，CDI）具有驅(qū)動(dòng)能量低，無二次污染以及成本低等優(yōu)勢(shì)，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拿擕}技術(shù)。CDI脫鹽過程基于雙電層（Electrochemical double layer，EDL）原理。在充電（吸附）階段，對(duì)工作電極施加不超過2 V的直流電壓，鹽溶液中的離子在靜電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下向具有相反電性的電極移動(dòng)，進(jìn)而被束縛在電極/電解質(zhì)界面的EDL或嵌入在電極體相中，實(shí)現(xiàn)脫鹽。隨著吸附過程的進(jìn)行，EDL達(dá)到飽和狀態(tài)。此時(shí)對(duì)兩個(gè)電極進(jìn)行短路或施加反向電壓，被吸附的離子迅速返回到鹽溶液中，實(shí)現(xiàn)電極再生4–7。

電極材料作為CDI的核心部分，對(duì)器件脫鹽特性起決定性的作用。因具有生產(chǎn)成本低、比表面積大、孔徑可調(diào)、導(dǎo)電性好、熱力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，碳基材料已成為CDI電極的主流材料8–10。但是，碳基電極的脫鹽容量相對(duì)較低且存在嚴(yán)重的同離子效應(yīng)。盡管各種被修飾/改性的碳基材料在吸附特性上有了很大的提升，電荷效率和脫鹽容量仍無法滿足實(shí)際需求。近年來，法拉第電極逐步受到研究人員關(guān)注。法拉第電極可以通過法拉第反應(yīng)積累電荷，脫除鹽離子，從而表現(xiàn)出更高的脫鹽容量。其次，法拉第電極具有滲透選擇性，規(guī)避了嚴(yán)重地同離子效應(yīng)，從而使CDI更適用于高鹽度鹽水。進(jìn)一步地，法拉第電極在高離子強(qiáng)度流中可以有效降低離子遷移阻力，實(shí)現(xiàn)低能耗脫鹽11–16 。過渡金屬氧化物（Transition metaloxides，TMOs）作為典型的法拉第電極材料，具有優(yōu)異的電化學(xué)活性、低廉的成本、良好的穩(wěn)定性、形貌可控和功能多樣性等優(yōu)點(diǎn)17–21。其中，釩氧化物（VxOy）具有晶體結(jié)構(gòu)可調(diào)、高的理論比容量和豐富的價(jià)態(tài)變化，成為了研究熱點(diǎn)。然而，VxOy存在大體積效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性和低的固有電子/離子電導(dǎo)率，從而導(dǎo)致其動(dòng)力學(xué)緩慢22–24。

金屬-有機(jī)骨架（Metal organic frameworks，MOFs）由金屬離子/簇與有機(jī)配體共價(jià)結(jié)合而成并具有周期性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。以MOFs為前驅(qū)體和犧牲模板衍生的過渡金屬氧化物/硫化物/硒化物具有高比表面積，良好的離子擴(kuò)散通道以及高的導(dǎo)電性等特點(diǎn)25–28。為了精準(zhǔn)控制MOFs晶體的幾何形狀，利用環(huán)保且成本低的不溶性金屬前驅(qū)體作為硬模板和犧牲模板構(gòu)建MOFs可有效保留MOFs的本征特性。然而，前驅(qū)體通常需要錨定在襯底上，硬模板法的規(guī)?；瘧?yīng)用因此受到限制。此外，金屬殘留物的不完全轉(zhuǎn)化也會(huì)導(dǎo)致形成不可分離的MOFs/金屬復(fù)合物，降低了MOFs的利用率。近期的研究表明，MXene表面高電負(fù)性的均勻終端原子能夠使有機(jī)配體快速去質(zhì)子化，從而實(shí)現(xiàn)與底層金屬原子結(jié)合，制備出具有質(zhì)子導(dǎo)電性的MOFs，實(shí)現(xiàn)快速的電荷轉(zhuǎn)移和優(yōu)異的電容量29–31。因此，開發(fā)同源金屬M(fèi)Xene原位合成MOFs并進(jìn)一步衍生制備氧化物/氮化物電極材料，利用其協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，良好的電荷轉(zhuǎn)移以及快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是一項(xiàng)很有意義的研究。

本工作利用同源金屬V2CFx MXene作為前驅(qū)體原位衍生制備V2O3@PC實(shí)現(xiàn)高性能CDI脫鹽。如圖1所示，對(duì)V2AlC前驅(qū)體進(jìn)行蝕刻后，中間的Al原子層在酸作用下被去除制得V2CFx MXene，進(jìn)一步在V2CFx中引入四甲基氫氧化銨作為表面改性劑，實(shí)現(xiàn)了TMA+的插層。在這個(gè)過程中，―F端官能團(tuán)被大量帶強(qiáng)負(fù)電荷的―O端所取代。然后，通過溶劑熱法原位形成V-MOF/V2COx。最后，通過對(duì)V-MOF/V2COx進(jìn)行退火，得到了高度結(jié)晶的V2O3@PC納米片層結(jié)構(gòu)?？疾炝瞬煌蓟瘻囟认轮苽涞腣2O3@PC的形貌、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度，價(jià)態(tài)，電化學(xué)特征以及CDI特性。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 V2CFx的制備

采用溶劑熱法合成了V2CFx。將2.0 g LiF （AR，99%，麥克林）溶于40 mL HCl （AR，36.0%–38.0%，上海滬試實(shí)驗(yàn)室器材股份有限公司）中，然后加入2.0 g V2AlC （純相MAX，上海卜微應(yīng)用材料技術(shù)有限公司）前驅(qū)體攪拌30 min。將混合溶液轉(zhuǎn)移到Teflon內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中并在120 °C加熱90 h，待自然冷卻至室溫后離心取沉淀，用去離子水洗滌至pH接近7。最后，在60 °C干燥12 h，即可得到黑色的V2CFx粉末。

2.2 V2COx-TMA的制備

將0.5 g V2CFx加入到濃度為30%四甲基氫氧化銨（TMAOH） （四甲基氫氧化銨，五水合物，97%，上海麥克林生化科技股份有限公司）溶液中，在室溫下劇烈攪拌18 h。然后，離心取沉淀并用去離子水洗滌三次。最后，在60 °C下干燥24 h，得到黑色粉末記為V2COx-TMA。

2.3 V2O3@PC的制備

稱取92 mg V2COx-TMA攪拌分散在40 mLN，N-二甲基甲酰胺（DMF） （AR，≥ 99.5%，上海滬試實(shí)驗(yàn)室器材股份有限公司）中形成懸浮液。然后，將500 mg對(duì)苯二甲酸溶于20 mL的DMF中，并將其快速加入上述懸浮液中形成混合溶液繼續(xù)攪拌1.0 h。將混合溶液轉(zhuǎn)移到Teflon內(nèi)襯不銹鋼反應(yīng)釜中并在150 °C加熱24 h，待自然冷卻至室溫后離心取沉淀，用DMF和乙醇洗滌數(shù)次。最后，在60 °C干燥12 h，即可得到深綠色的V-MOF粉末。進(jìn)一步對(duì)V-MOF進(jìn)行退火處理，分別在750、850和950 °C保溫5.0 h碳化得到黑色粉末，分別記作V2O3@PC-750、V2O3@PC-850和V2O3@PC-950。

2.4 測(cè)試與表征

實(shí)驗(yàn)中X射線衍射（XRD）型號(hào)為SmartLab（日本理學(xué)株式會(huì)社，日本），利用Cu靶Kα射線、管電壓/電流分別為45 kV/200 mA、掃描角度范圍為5°–80°、步進(jìn)角度為0.02°。拉曼光譜（Raman）儀為L(zhǎng)abRAM HR Evolution （HORIBA Scientific，日本），激光器波長(zhǎng)為532，測(cè)試波數(shù)范圍200–3000cm?1 。傅里葉變換紅外（FTIR） 光譜儀型號(hào)為Spectrum Two （PerkinElmer，美國(guó)）。接觸角測(cè)試使用承德鼎盛JY-82C視頻接觸角測(cè)定儀。掃描電子顯微鏡（SEM）型號(hào)為SU5000 （Hitachi，日本），加速電壓為3 kV 。高分辨率透射電子顯微鏡鏡（HRTEM）是Talos F200S （FEI，美國(guó)）。X射線光電子能譜 （XPS） 采用K-Alpha 型號(hào)（ThermoScientific，美國(guó)），激發(fā)源：Al Kα射線（hv = 1486.6eV），束斑：400 μm，工作電壓：12 kV，燈絲電流：6 mA。循環(huán)伏安曲線（CV），恒流充放電曲線（GCD）以及電化學(xué)阻抗譜（EIS）均采用上海辰華CHI660e電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)試。脫鹽測(cè)試使用3000A（PARSTAT，美國(guó)）電化學(xué)工作站。電化學(xué)和脫鹽測(cè)試過程如報(bào)道所示32，33。

3 結(jié)果與討論

3.1 形態(tài)與結(jié)構(gòu)

利用XRD表征了V2O3@PC制備過程中的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，如圖2a所示。對(duì)前驅(qū)體V2AlC蝕刻后，Al原子層被去除呈現(xiàn)出V2CFx結(jié)構(gòu)，7.16°處的特征峰歸屬于（002）平面，與文獻(xiàn)報(bào)道34–36一致。引入大分子插層劑TMAOH后，（002）晶面向小角度方向移動(dòng)，導(dǎo)致V2CFx的層間距擴(kuò)大并且末端官能團(tuán)F被O取代形成V2COx-TMA。其中，電負(fù)性更強(qiáng)的終端O官能團(tuán)能夠使有機(jī)配體快速去質(zhì)子化，促進(jìn)了V-MOF的形成。此外，層間的擴(kuò)大為V-MOF提供了足夠的生長(zhǎng)空間。隨后，在溶劑熱的作用下得到V-MOF。值得注意的是，（002）晶面向高角度方向移動(dòng)，這歸因于MOF在層間的生長(zhǎng)占據(jù)了一定的空間，導(dǎo)致其晶格間距減小。進(jìn)一步對(duì)V-MOF進(jìn)行高溫退火處理，V2O3@PC晶體結(jié)構(gòu)如圖2b所示。顯然，在碳化以后可以捕捉到與V2O3相對(duì)應(yīng)的特征峰，并且隨著碳化溫度的升高，V2O3的結(jié)晶度和特征峰強(qiáng)度也相應(yīng)增強(qiáng)。值得注意的是，V2O3@PC-850中（110）晶面呈現(xiàn)出優(yōu)先生長(zhǎng)的現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道，（110）晶面具有高活性，在充放電過程中對(duì)堿金屬離子具有高選擇性37。利用Raman光譜檢測(cè)了樣品表面鍵合的伸縮振動(dòng)以及碳化處理的石墨化過程。如圖2c所示，在281、402和989 cm?1處的特征峰可以對(duì)應(yīng)V＝O的伸縮振動(dòng)，表明了氧化釩的存在。此外，225、507和681 cm?1處捕捉到的特征峰分別歸屬于表面共享氧引起的雙配位氧（V2―O）拉伸模式和三配位氧（V3―O）拉伸模式38。進(jìn)一步地，V2O3@PC-850具有更多的表面共享氧，表明其具有更好的潤(rùn)濕性。一般而言，石墨化程度可以用D波段（1350 cm?1）和G波段（1590cm?1）的峰值強(qiáng)度比值（ID/IG）來表示39，40。顯然隨著溫度的升高，V2O3@PC-950表現(xiàn)出最高的石墨化程度。利用FTIR分析了樣品表面基團(tuán)信息。如圖2d所示，在1627.8、989.6和556.7 cm?1檢測(cè)到的吸收峰分別對(duì)應(yīng)C―O、V＝O和V―O―V基團(tuán)的振動(dòng)特征峰。V2O3@PC-850和V2O3@PC-950結(jié)構(gòu)中V＝O和V―O―V基團(tuán)的振動(dòng)特征峰強(qiáng)度較高，證實(shí)了高結(jié)晶V2O3的存在。電極與電解質(zhì)界面層的浸潤(rùn)性是影響界面阻抗、極化和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素。如圖2e–g所示，利用靜態(tài)潤(rùn)濕角檢驗(yàn)了V2O3@PC的浸潤(rùn)性。研究表明，V2O3@PC-850具有更強(qiáng)的親水性。這是由于其表面豐富的氧官能團(tuán)增強(qiáng)了PC的潤(rùn)濕性，良好的潤(rùn)濕性增加了電解質(zhì)和電極的界面可及性，從而降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻，加速了界面電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步改變了電解質(zhì)的濃度梯度，因此提高了鹽離子的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。

利用SEM對(duì)樣品的形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。如圖3a所示，V2CFx呈現(xiàn)出典型的手風(fēng)琴狀納米結(jié)構(gòu)。在引入TMAOH大分子插層后層間空間顯著增加，如圖3b所示。經(jīng)過水熱反應(yīng)成功獲得VMOF/V2COx，如圖3c所示。V-MOF/V2COx依然保留了片狀結(jié)構(gòu)且表面V-MOF顆粒排列緊密。圖3d–f分別是V2O3@PC-750、V2O3@PC-850和V2O3@PC-950以及對(duì)應(yīng)的局部放大圖像。所有樣品基本保留了片狀結(jié)構(gòu)。從放大圖像觀測(cè)到V2O3@PC-750片層上附著的納米顆粒尺寸更小且表面粗糙，可能是由于碳化溫度太低引起的，結(jié)果與XRD分析中低的結(jié)晶度相對(duì)應(yīng)。V2O3@PC-850和V2O3@PC-950片層上的納米顆粒呈現(xiàn)出較大的尺寸以及表面更加光滑，緊密相連的納米顆粒為高電荷轉(zhuǎn)移提供了保障。圖3g展示了V2O3@PC-850對(duì)應(yīng)的元素映射圖像，反映出V、O、N和C的均勻分布。

圖4a–c分別為V2O3@PC-750，V2O3@PC-850和V2O3@PC-950的HRTEM圖像。V2O3@PC納米顆粒緊密連接在一起形成納米片結(jié)構(gòu)。隨著碳化溫度的升高，V2O3納米顆粒不斷聚集。圖4d–f為局部放大后的HRTEM圖像，可以從V2O3邊緣捕捉到明顯的無定型石墨層（紅色標(biāo)記），V2O3納米顆粒在碳基體中被很好地約束，石墨碳的存在可以提高V2O3@PC的導(dǎo)電性。此外，標(biāo)定出納米顆粒的晶格間距為0.20和0.36 nm，分別對(duì)應(yīng)于V2O3的（202）和（012）晶面。圖4g–i是選區(qū)電子衍射（SAED）圖像。V2O3@PC-750顯示出一組規(guī)則的衍射環(huán)，分別與（002）、（202）和（125）的晶面一致。V2O3@PC-850和V2O3@PC-950的SAED圖像中的也捕捉到了多個(gè)V2O3對(duì)應(yīng)晶面的衍射斑點(diǎn)，表明V2O3@PC-850和V2O3@PC-950中V2O3的高結(jié)晶度。

圖5a所示為V2O3@PC的XPS總譜，檢測(cè)到了到C 1s、N 1s、O 1s和V 2p的信號(hào)。表1總結(jié)了各元素的含量。高分辨率V 2p XPS光譜如圖5b所示，V2O3@PC中V主要以+3和+4的狀態(tài)存在41。隨著溫度的升高，V4+特征峰強(qiáng)度減小，同時(shí)V3+特征峰強(qiáng)度增強(qiáng)，說明溫度的遞增導(dǎo)致更多的V4+向V3+轉(zhuǎn)化，從而形成更多的V2O3，這與XRD的分析結(jié)果相吻合。如圖5c所示，O 1s的XPS在530.2、530.7和533.2 eV處顯示出3個(gè)特征峰，分別歸屬于V―O、末端官能團(tuán)C―V―Ox和表面吸附氧（C ―V―（OH）x） 41。值得注意的是，C―V―（OH）x僅存在于V2O3@PC-750中，隨著溫度升高C―V―（OH）x消失。進(jìn)一步地，V2O3@PC-850擁有最豐富的C―V―Ox物種，與拉曼結(jié)果一致。圖5d展示了C 1s的高分辨XPS光譜。C―C、C―O和C＝O鍵的特征峰分別位于284.3、285.4和288.5 eV。一般來說，C―C鍵長(zhǎng)較長(zhǎng)，不易被氧化。顯然，V2O3@PC-850的C―C鍵強(qiáng)度最強(qiáng)而C―O鍵強(qiáng)度最小，表明碳骨架穩(wěn)固且不易被氧化。N 1s的高分辨率XPS光譜（圖5e）在399.3和401.3 eV有兩個(gè)特征峰，表明存在兩種不同的N鍵合，分別來自表面功能位點(diǎn)取代和表面吸收42。

3.2 電化學(xué)性能

利用電化學(xué)工作站在三電極體系中測(cè)定了V2O3@PC電極在1.0 mol?L?1 NaCl溶液中的CV曲線。如圖6a所示，繪制了在1.0 mV?s?1時(shí)?0.8至0.2V 電位窗口內(nèi)V2O3@PC-750 、V2O3@PC-850 和V2O3@PC-950的CV曲線。陽極掃描在～ ?0.11 V處出現(xiàn)了一個(gè)與Na+吸附過程中V3+ → V4+的氧化過程有關(guān)的特征氧化峰。在陰極掃描過程中，在～ ?0.21 V處觀察到相應(yīng)的還原峰，該還原峰與Na+解吸過程發(fā)生的V4+ → V3+有關(guān)，表明V2O3@PC電極具有可逆的氧化還原性。相關(guān)反應(yīng)如式（1）：

V2O3 + xNa+ + xe? → NaxV2O3 （1）

圖6b顯示了在不同掃描速率下對(duì)應(yīng)的比電容?？傮w而言，當(dāng)掃描速率從1.0 mV?s?1增加到100.0 mV?s?1 時(shí)，比電容呈下降趨勢(shì)。重要的是，V2O3@PC-850在任何掃描速率下都具有最高的比電容。當(dāng)掃描速率為1.0 mV?s?1時(shí)，V2O3@PC-850的比電容為288.4 F?g?1。圖6c所示為?0.8 – 0.2 V的電位窗口內(nèi)，電流密度為0.5 A?g?1時(shí)的GCD曲線，在均呈現(xiàn)出三角形形狀，表明其電容特性。如圖6d所示， 根據(jù)GCD 曲線計(jì)算， V2O3@PC-750 、V2O3@PC-850和V2O3@PC-950電極的比電容分別為42.9、65.4和38.0 F?g?1。圖6e和6f分別繪制了在10–2–106 Hz頻率范圍內(nèi)的EIS和對(duì)應(yīng)的擬合電路圖。通常，高頻區(qū)與實(shí)軸的交點(diǎn)通常表示溶液本征電阻（Rs）。中頻區(qū)域的半圓直徑為電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）。低頻區(qū)域的線性斜率表示W(wǎng)arburg阻抗（Wz），反映了電解質(zhì)中兩性離子的擴(kuò)散阻抗。擬合結(jié)果如表2所示，V2O3@PC-850具有最小的Rs和Rct，可能是V2O3@PC-850良好的界面潤(rùn)濕性和穩(wěn)定的碳包覆加速了界面電荷的轉(zhuǎn)移，促進(jìn)了離子的傳輸和擴(kuò)散。

采用間歇循環(huán)裝置評(píng)估了V2O3@PC//AC CDI系統(tǒng)的脫鹽特性。圖7a和7b分別顯示了V2O3@PC-850//AC CDI系統(tǒng)在1000 μS?cm?1 NaCl溶液中0.8、1.0和1.2 V時(shí)的脫鹽以及?0.8 V再生時(shí)的電導(dǎo)率和電流響應(yīng)變化。當(dāng)施加電壓后，鹽水中大量帶反電荷的離子被捕獲，電導(dǎo)率和電流在初始階段急劇下降。隨著吸附過程的進(jìn)行，電荷與吸附離子達(dá)到平衡，電極趨于飽和。此時(shí)，電導(dǎo)率和電流逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)在CDI模塊的兩個(gè)電極之間施加?0.8 V的電壓就可以實(shí)現(xiàn)電極的再生。圖7c繪制了對(duì)應(yīng)的V2O3@PC-850//AC系統(tǒng)在1000 μS?cm?1 NaCl溶液中，電壓為0.8–1.2 V時(shí)脫鹽速率和脫鹽容量的Ragone Kim-Yoon-Plot曲線。當(dāng)工作電壓從0.8 V增加到1.2 V時(shí)，脫鹽容量增大，且曲線向右移動(dòng)，說明脫鹽容量和脫鹽速率隨著電壓的升高而逐漸增大。最佳脫鹽容量從1.30 mmol?g?1增加到2.20mmol?g?1 （64.2 mg?g?1），脫鹽速率也隨著電壓的增加而逐漸增加。在1.2 V 下脫鹽速率達(dá)到0.13mmol?g?1?min?1。研究驗(yàn)證了V2O3@PC-850//AC體系在?0.8 V下再生過程的鹽化速率。在再生初期，系統(tǒng)具有0.18 mmol?g?1?min?1的超高鹽漬化速率。隨著再生時(shí)間的延長(zhǎng)，鹽化速率逐漸降低。高脫鹽速率和高鹽化率表明V2O3@PC-850//AC體系具有良好的Na+/Cl–可逆嵌入/脫嵌動(dòng)力學(xué)。圖7d比較了V2O3@PC-750、V2O3@PC-850和V2O3@PC-950電極在不同電壓下的脫鹽容量。當(dāng)電壓從0.8 V增加到1.2 V時(shí)，脫鹽容量均呈上升趨勢(shì)。任一電壓下，V2O3@PC-850//AC系統(tǒng)的脫鹽容量始終最高。當(dāng)電壓為1.2 V時(shí)，脫鹽容量最高可達(dá)2.20 mmol?g?1。V2O3@PC-850優(yōu)異的脫鹽性能歸因于其良好的界面潤(rùn)濕性加速了界面電荷的轉(zhuǎn)移，提高了鹽離子的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。另一方面，在V2O3@PC-850中（110）晶面優(yōu)先生長(zhǎng)，提高了離子儲(chǔ)存特性。相比于V2O3@PC-750，V2O3@PC-950由于其良好的界面潤(rùn)濕性，較低的電荷轉(zhuǎn)移電阻以及高結(jié)晶度的V2O3納米顆粒，從而具有較高的脫鹽能力。此外，V2O3納米顆粒被無定形碳束縛，較好的抑制了V2O3的體積膨脹，同時(shí)提高了電極整體導(dǎo)電性。水的回收率（WR，%）和體積能耗（Ev，Wh?m–3）是評(píng)價(jià)CDI系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的重要指標(biāo)。如圖7e和7f所示，V2O3@PC-850//AC系統(tǒng)在0.8、1.0和1.2 V時(shí)的WR分別達(dá)到88%、74%和62%，相應(yīng)的Ev分別為8.4、17.7和24.0 Wh?m–3，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的電極。圖7g總結(jié)了不同CDI電極的脫鹽能力43–58。在所有報(bào)道結(jié)果中，V2O3@PC-850//AC系統(tǒng)在同一的實(shí)驗(yàn)條件下表現(xiàn)出最高的脫鹽容量。

4 結(jié)論

綜上所述，本工作利用同源金屬V2CFx MXene作為前驅(qū)體進(jìn)行原位生長(zhǎng)成功合成了V2O3@PC電極。通過引入四甲基氫氧化銨插層劑進(jìn)行了表面改性劑，溶劑熱法原位生長(zhǎng)以及高溫退火一系列方法得到了高度結(jié)晶的V2O3@PC納米片層結(jié)構(gòu)。利用XRD，Raman和XPS等表征手段探究了不同碳化溫度下制備的V2O3@PC的形貌、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和價(jià)態(tài)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的V2O3@PC電極具有高脫鹽容量（2.20 mmol?g?1）、高脫鹽速率（0.13mmol?g?1?min?1）和低能耗（24.0 Wh?m–3）。其出色的脫鹽性能得益于良好的界面潤(rùn)濕性可以有效地滲透電解質(zhì)，加速了界面電荷的轉(zhuǎn)移以及促進(jìn)了鹽離子的傳輸和擴(kuò)散。此外，V2O3納米顆粒被PC牢牢束縛，體積膨脹得到了較好的抑制。

Author Contributions： Zehao Zhang， Investigation，Writing – Original Draft Preparation; Zheng Wang，Investigation， Supervision; Haibo Li， Conceptualization，Methodology， Supervision， Writing – Review amp; Editing.

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