La desionización capacitiva (CDI) es energéticamente favorable para desionizar el agua, pero los métodos existentes están limitados por sus capacidades de desalinización y ciclos prolongados debido a la insuficiencia de las superficies accesibles a los iones y al lento transporte de electrones / iones. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Tianyu Liu y un equipo de investigación en los departamentos de química, Ingeniería civil y medioambiental, y nanociencia en Virginia Tech, NOSOTROS., demostraron fibras de carbono porosas (PCF) como un material CDI eficaz. Derivaron los PCF a partir de poli (metacrilato de metilo) separado por microfase - cuadra -poliacrilonitrilo (PMMA-b-PAN). Los PCF resultantes mantuvieron mesoporos abundantes y uniformes interconectados con microporos para formar una estructura porosa jerárquica con una gran superficie accesible a los iones y alta capacidad de desalación. Las fibras de carbono continuas y la red porosa interconectada permitieron un transporte rápido de electrones / iones para mantener una alta tasa de desalinización. El trabajo destaca la promesa del PCF a base de copolímero para CDI de alta capacidad y alta tasa.

La extracción cada vez mayor y la distribución desigual del agua dulce imponen desafíos críticos para el desarrollo técnico y socioeconómico. La desalinización es un enfoque prometedor basado en un vasto depósito de agua de mar para abordar la escasez de agua dulce. La ósmosis inversa y la destilación térmica son técnicas ampliamente practicadas para procesar agua de mar o agua salobre con altas concentraciones de sal. aunque estos métodos consumen mucha energía y son costosos cuando las concentraciones de sal son bajas. Como alternativa, La desionización capacitiva (CDI) puede eliminar iones mediante electrosorción o reacciones pseudocapacitivas para desalinizar agua con bajas concentraciones de sal.

Los científicos de materiales utilizan carbonos porosos como materiales primarios de electrodos CDI debido a su alta conductividad eléctrica. gran superficie, estructura adaptable y excelente estabilidad. Los ejemplos incluyen carbón activado (AC), aerogeles de grafeno y carbonos macroporosos derivados de la biomasa. Sin embargo, las capacidades y tasas de desalación de dichos materiales aún deben mejorarse. Basado en el rendimiento limitado de materiales microporosos y macroporosos, Liu y col. plantean la hipótesis de que las fibras de carbono podrán alcanzar altas tasas de capacidad de desalación debido a la arquitectura jerárquica interconectada. En este trabajo, el equipo demostró fibras de carbono porosas (PCF) como materiales de electrodo superiores para la desionización capacitiva. La innovación de la técnica aquí se basó en el diseño del precursor del electrodo de carbono a nivel molecular. Liu y col. usó un copolímero de bloque para crear PCF a través del electrohilado, oxidación, estabilización, y pirólisis. La gran superficie de desalinización efectiva resultante con una arquitectura abundante y uniforme mejoró la capacidad de desalinización al permitir un rápido transporte de electrones y una rápida difusión de iones.

Diseñar materiales para CDI, el equipo estudió tres materiales de carbono, incluyendo PCF (fibras de carbono porosas) a base de copolímero de bloque con una gran superficie accesible a los iones. El equipo también probó fibras de carbono (CF) a base de PAN industrial (poliacrilonitrilo) y carbón activado (AC). El carbono fibroso y los mesoporos interconectados permitieron vías de transporte continuas y efectivas para electrones e iones. al tiempo que reduce la resistencia interna de la desalación en las células y mejora la tasa de desalación. A diferencia de, los otros materiales tenían una superficie limitada para la electrosorción de iones y una tasa de desalinización deteriorada. Luego, el equipo adhirió los tres materiales; PCF, CF y AC a cintas de cobre estañado y las usó como electrodos en celdas CDI. Usando imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM), observaron apariencias distintas para los tres materiales diversos. Con base en los resultados iniciales, esperaban que PCF exhibiera la tasa más alta de desalinización.

A continuación, los científicos llevaron a cabo una serie de experimentos para comprender las propiedades químicas y eléctricas de los tres materiales. Después de medir el ángulo de contacto del agua entre la superficie, notaron un gran ángulo de contacto para sustratos de CA, que representaba una interfase hidrófoba (repelente al agua), indeseable para desalinizar soluciones acuosas. Mientras tanto, sin aditivos conductores, los materiales PCF y CF eran altamente conductores de electricidad de acuerdo con la espectroscopia de impedancia electroquímica y las mediciones de la sonda de cuatro puntos. Basado en múltiples características que incluyen estructuras porosas jerárquicas, área de superficie efectiva, alta conductividad eléctrica y baja resistencia a la difusión, el equipo decidió que el PCF sería un excelente material de electrodo para CDI.

Demostraron la capacidad de desionización del PCF al desalinizar dos fuentes de agua, incluida el agua salobre artificial con cloruro de sodio (NaCl) y el agua del grifo sintética con NaCl en celdas cónicas. con dos electrodos simétricos. Determinaron las concentraciones mediante cromatografía iónica y observaron que la concentración de NaCl del agua del grifo había caído a una concentración ultrabaja después de cinco ciclos de desionización. Liu y col. cuantificó además la capacidad de desalinización y la tasa de PCF usando desionización de ciclo único a un voltaje de polarización aplicado de 1.0 V a través de los dos electrodos de PCF para observar concentraciones de sal decrecientes de 501.2 a 477.5 mg / L. En comparación, Las células CDI que contienen CF y AC solo mostraron una ligera disminución en la concentración de sal con la misma polarización de voltaje. La capacidad de desalación de PCF, a 30 mg _NaCl gramo _PCF ⁻¹ , superó a otros electrodos CDI de carbono y alcanzó una tasa máxima de desalinización de 38 mg g ⁻¹ min ⁻¹ aproximadamente 40 veces más rápido que los nanotubos de carbono, grafeno CF y otros carbonos porosos tridimensionales.

El consumo de energía que acompaña al PCF también fue bajo, y el material versátil podría eliminar otros cationes comunes en el agua, incluidos los iones de potasio (K ⁺ ), iones de magnesio (Mg ²⁺ ) e iones de calcio (Ca ²⁺ ). Las reacciones químicas no alteraron la superficie de PCF debido a la doble capa eléctrica de las células CDI, permitiendo que la superficie retenga su capacidad de desalinización sin signos de degradación o pérdida sustancial después de repetidos ciclos de carga-descarga. De este modo, Tianyu Liu y sus colegas destacaron el PCF basado en copolímero de bloque como un material de electrodo de alto rendimiento para CDI, manteniendo una capacidad de desalinización ultra alta, superando a otros materiales de carbono de última generación. Liu y col. atribuyó la velocidad ultrarrápida y la alta capacidad de desalinización a la estructura combinada, propiedades físicas y eléctricas del PCF. En el futuro, Liu y col. investigarán cómo las propiedades del PCF influyen en el rendimiento de la desalinización; esperan una correlación positiva entre las propiedades de la superficie del material y la desionización capacitiva. Los investigadores proponen estrategias de ingeniería adicionales para diseñar un flujo eficiente a través de celdas de desalinización continuas utilizando PCF para aumentar aún más la capacidad y la tasa de desalinización.

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