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等离子体制备垂直石墨烯边缘的太阳能驱动纳米离子学实现光电电容去离子
Bo, Z., Xu, C., Huang, Z., Chen, P., Yan, G., Yang, H., Yan, J., Cen, K., Ostrikov, K.,
Chemical Engineering Journal
Abstract
碳材料中实现具有离子选择性的无阻碍离子传输，一直是电化学储能与以饮用水/工业水电容去离子（CDI）为代表的化学纯化领域的挑战。本研究提出太阳能纳米离子学新概念，将太阳能直接注入石墨烯纳米结构边缘附近的光生载流子与局域电场，实现基于迁移率的高效离子传输、高质量交换速率及选择性。该概念被应用于演示CDI新方法——光电电容去离子（PECDI），其由太阳能增强的离子传输机制实现。通过边缘增强垂直石墨烯（eVG）材料化实现时，光生载流子沿eVG边缘纳米天线局域化，使边缘局域电场增强两个数量级（经近场光诱导力显微镜证实）。这种局域光电场可调控并重构纳米离子流，实现不同迁移率离子的选择性传输及动力学显著增强（通过原位电化学石英晶体微天平测量与分子动力学模拟验证）。凭借光增强离子传输动力学，该技术在200 mg L⁻¹浓度下实现33 mg g⁻¹的平均吸附容量（5000 mg L⁻¹浓度下达165 mg g⁻¹），兼具快速吸附/脱附响应与优异能效。本研究为太阳能增强纳米离子操控开辟了新途径，可拓展至化工、能源及环境领域的广泛应用。