杨会颖教授专访及研究成果集锦

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1.海水淡化的未来研究方向有哪些？

海水淡化是非常重要的一门课题，是关系到人们生产与生活的重中之重。而反渗透膜海水淡化技术则是现阶段重要的研究方向。与此同时，各种膜分离技术也是研究重点。近些年来，电容去离子技术（Capacitive deionization, CDI）以其较低的能耗和优异的淡化性能也越来越引起关注。总的来说，现阶段海水淡化的研究主要分为两点：1. 新型膜材料的合成、设计与修饰，以应用于各类渗透膜及膜分离技术。2. 新型材料的合成，包括用纳米材料进行膜修饰已经其他技术如CDI的电极材料的设计与合成。总之，低价、环保、低能耗的海水淡化技术是现阶段的研究重点。

2.海水淡化技术市场化的关键问题是什么？

现阶段热处理和反渗透膜海水淡化技术已经相当成熟。热处理海水淡化技术是最早应用于生产的淡化技术，但是近些年来由于其超高的能耗已经越来越被反渗透膜法取代。然而，反渗透膜技术也存在膜结垢，高成本及能耗相对较高的问题。因此，纳米科技的应用成为近期热点。包括对各类膜材料的纳米修饰及纳米电极的设计与合成。以期获得低价、环保、低能耗、易大规模生产的海水淡化技术。

3.CDI相比常规的海水淡化技术的优势在哪些方面？

CDI通过对电极的充放电吸附水中的离子，不会有二次污染的产生，且同热处理相比能量利用率更高。该技术有操作简单的优势，在吸脱附时一般采用较低的电压（0-1.4V），且在离子洗脱时可释放部分能源，因此相比传统的海水淡化技术更加低能耗。同时，CDI技术还显示出高度的离子选择性，可应用于废水软化，锂/钠离子回收等课题，拥有广泛的应用前景。

4.您觉得目前CDI技术的主要挑战是什么？进一步改善和提升的关键在哪里？

传统的CDI技术应用多孔碳材料作为吸附电极，可达到高效低能耗的除盐效果。但是碳材料的除盐容量较低，且不适用于高浓度盐水。同时，常规的恒压除盐操作中，在洗脱过程中能量很难被回收。因此，近些年来，电池材料在CDI中的应用越来越成为热点。利用电池材料作为CDI的电极可使除盐容量比原有水平提升一个数量级。同时，此种CDI更适用于高浓度盐水电解质，并在洗脱时显示出高能量回收效率，从而达到超低的脱盐能耗。然而，目前很多CDI技术无法脱离离子交换膜的使用，会产生新的结垢问题，且许多电极材料在充放电时无法保持稳定性，造成脱盐效率的递减。因此，未来CDI技术的提升关键在于合成低成本、易大量生产且能量回收率高的高性能电极，并通过电极材料的纳米修饰来提高其稳定性，从而获得低价、环保、低能耗的海水淡化技术。

优秀工作集锦

1. 钠离子电池

1.1受建筑学结构启发制备稳定的电池负极结构（Matter, 2020, 2, 428-439.）

长期以来，由于锂离子电池（LIBs）具有更高的功率密度以及快速的充放电速率，在能源领域中展示了巨大的应用价值。然而由于地壳中锂元素资源有限，这限制了LIBs的可持续发展。相比于有限的锂元素资源，与锂同族的钠元素在地球中含量非常丰富，并且钠离子电池（SIBs）与锂离子电池的储能机制非常相似且成本很低，因此科学家认为钠离子电池是锂离子电池的最有前途的能源替代品。过渡金属硫化物（FexS, CoxS, NixS, CuxS等）可以作为钠离子电池负极材料，其在电池中的转化反应机制赋予了它们非常高的理论容量。然而在实际应用中，存在容量保持能力差和充放电速率慢的两个缺点。首先在Na+进入与脱出的过程中，转化反应会引起巨大的体积变化，从而不可避免地导致过渡金属硫化物电极材料的粉碎，最终造成容量的快速衰减。其次，过渡金属硫化物固有的低电导率会严重阻碍电子传输和Na+扩散，从而导致电池倍率性能不佳。目前提高过渡金属硫化物性能的方法主要有两种，将碳材料包覆在过渡金属硫化物外层以提高Na+和电子的传输，和设计精细结构（如：空心结构，多层结构，和异质结构等）来减少体积膨胀。然而以上方法也存在一些缺点，首先在碳材料包覆过程中有可能会引入过量的碳（大于40 wt％），这会降低电极的实际容量。并且目前报道的精细结构设计很难同时实现稳定的循环性能（> 1000个循环）和优异的充放电能力。

从建筑学的角度看，桁架结构具有很高的机械强度，因为其独特的三角支撑结构不仅可以提高结构稳定性，还可以提供连续的电子传输（图1A）。如何制备用于电极的微纳米桁架结构是目前的研究重点，其中涉及到如何控制刻蚀位点和如何稳定桁架结构。但是刻蚀程度非常不好控制，这有可能会破坏接合点，甚至使结构崩塌。杨会颖团队报道了一种“选择性还原”策略来制备稳定的Cu1.81S桁架结构。当抗还原剂（Fe3+离子）存在时，还原性溶剂乙二醇会还原未被Fe3+离子覆盖的地方，首先将Cu1.75S前体雕刻成桁架结构（图1B）。同时发生不同的物相变化，还原区域会析出铜单质，而保护区域可以抵抗Cu-S键的断裂并维持Cu1.75S相。铜单质会融入Cu1.75S晶体系统，通过重结晶过程形成Cu1.81S相，这个过程也会稳固桁架结构（图1C）。

图1. 构筑Cu1.81S桁架结构的过程

图2. Cu1.81S作为钠离子电池负极材料的电化学性能表征

当Cu1.81S桁架结构用于钠离子电池负极材料时，这种稳定的桁架结构使Cu1.81S电极展现了大的可逆容量（487 mAh/g）（图2B），优异的倍率性能（3 A/g高电流密度下为331 mAh/g）（图2D）和循环稳定性（循环1000次后容量维持在77.7％）（图2E）。该合成策略不仅发展了桁架结构的设计及其加固方法，而且它还可以为下一代电极结构的设计提供新的见解，并有望推广至其它电池的结构设计中。并且该工作推动了跨学科的交叉研究，例如可以将应用机械工程、土木工程等领域的知识融入到新的电极结构中。

1.2非晶硅纳米膜作高效储钠材料（Adv. Mater. 2018, 30, 1706637.）

近年来，钠离子电池由于其固有的安全性和低廉的价格成为新的研究热点。然而，相比于锂离子（0.076 nm），钠离子（0.102 nm）具有更大的半径，这会使得钠离子吸脱附过程减缓并造成较大的体积膨胀，从而进一步降低电池容量及循环次数。合金型材料（如P，Sn，Sb和Pb等）具有超高的理论容量和较低的钠离子嵌入电势，因此在钠离子电池负极材料中展现了巨大的潜力。然而，合金型材料在电化学过程中会发生巨大的体积变化（293-487 %），导致较差的循环性能。同时，体积变化也会导致SEI膜的不稳定和较低的库伦效率。

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