MOFs在線 - Materials Horizons：異質界面優化助力COF-MXene用於含氧鹽水的電容去離子脫鹽－鑽石舞台

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第一作者：Shuaihua Zhang

通訊作者：Xingtao Xu, Yusuke Yamauchi

通訊單位：日本國立材料研究所，澳大利亞昆士蘭大學

論文DOI：10.1039/d1mh01882e

研究背景

電容去離子（CDI）技術作為一種有前景的脫鹽技術，得到廣泛關注。多孔碳具有高孔隙率和良好的導電性，多年來一直是CDI電極材料的首選。然而，大多數碳通常在天然(含氧)鹽水中具有低鹽吸附容量和差的循環穩定性，從而限制了CDI的發展。在這種情況下，二維(2D)過渡金屬碳化物和氮化物，統稱為MXenes，由於高電化學容量、優異的導電性、良好的可逆離子嵌入/脫嵌及具有大量路易斯酸Ti位點和–OH（–F，–O等）等官能團，在CDI和其他能量存儲裝置中的各種電化學界面方面受到越來越多的關注。然而，MXene納米片由於相鄰納米片之間強烈的范德華相互作用，通常會不可避免地發生聚集和自重新堆積，並且由於周圍環境中水和氧的相互作用，在天然鹽水中也表現出差的穩定性，這大大限制了它們在CDI應用中的性能和壽命。有鑑於此，日本國立材料研究所Xingtao Xu團隊和澳大利亞昆士蘭大學Yusuke Yamauchi團隊通過構建、優化MXene@COF二維異質界面，MXene提高COF納米結構導電性，外部COF層防止MXene納米片重新堆積和被氧化，更重要的是，COF中具有氧化還原活性的DAAQ單體提供較短的離子擴散路徑和額外的氧化還原吸附位點，因而展現了優異的電容去離子脫鹽性能和良好的循環穩定性。相關成果發表在國際期刊Materials Horizons上。

圖文導讀

材料的構效關係

通過氫鍵將DAAQ修飾到MXene片上，得到單分散的DAAQ-官能化的MXene（MXene-NH2），隨後，通過Schiff鹼縮合反應將DAAQ與TFP形成共價橋連，使DAAQ-TFP-COF納米陣列垂直錨定在MXene–NH2的表面上，從而最終得到MXene@COF夾層納米結構。

SEM和TEM測試清楚地揭示了COF納米陣列垂直錨定在MXene薄片的兩側，形成具有保存良好的異質界面的核殼結構。

FTIR測試表明MXene納米片的官能團和COF的DAAQ基團之間可能通過氫鍵橋連；XRD測試表明MXene的(002)衍射峰從原始的7.2移動到MXene@COF異質結構的6.34，表明在MXene-COF異質界面形成後增加了層間間距；N2吸附-脫附等溫線表明MXene-COF異質結構比表面積高達424 m2 g-1，而純的MXene只有155 m2 g-1，且MXene-COF具有微孔、介孔分布的分級多孔結構，有利於離子的傳輸和吸附。