A desionização capacitiva (CDI) é energeticamente favorável para desionizar água, mas os métodos existentes são limitados por suas capacidades de dessalinização e ciclos demorados devido a superfícies insuficientes acessíveis a íons e transporte lento de elétron / íon. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Tianyu Liu e uma equipe de pesquisa nos departamentos de química, Engenharia Civil e Ambiental, e nanociência na Virginia Tech, NÓS., demonstrou fibras de carbono porosas (PCF) como um material CDI eficaz. Eles derivaram os PCFs de poli (metacrilato de metila) separado por microfase - bloquear -poliacrilonitrila (PMMA-b-PAN). Os PCFs resultantes mantiveram mesoporos abundantes e uniformes interconectados com microporos para formar uma estrutura porosa hierárquica com um grande, área de superfície acessível a íons e alta capacidade de dessalinização. As fibras de carbono contínuas e a rede porosa interconectada permitiram o transporte rápido de elétrons / íons para manter uma alta taxa de dessalinização. O trabalho destaca a promessa do PCF baseado em copolímero para CDI de alta capacidade e alta taxa.

A crescente retirada e distribuição desigual de água doce impõe desafios críticos ao desenvolvimento técnico e socioeconômico. A dessalinização é uma abordagem promissora com base em um vasto reservatório de água do mar para lidar com a escassez de água doce. Osmose reversa e destilação térmica são técnicas amplamente praticadas para processar água do mar ou água salobra de altas concentrações de sal, embora tais métodos consumam muita energia e sejam caros quando as concentrações de sal são baixas. Como uma alternativa, a desionização capacitiva (CDI) pode remover íons por meio de reações de eletrosorção ou pseudocapacitivas para dessalinizar água de baixas concentrações de sal.

Cientistas de materiais usam carbonos porosos como materiais de eletrodo CDI primários devido à sua alta condutividade elétrica, grande área de superfície, estrutura adaptável e excelente estabilidade. Exemplos incluem carvão ativado (AC), aerogéis de grafeno e carbonos macroporosos derivados da biomassa. Contudo, as capacidades e taxas de dessalinização de tais materiais ainda precisam ser melhoradas. Com base no desempenho limitado de materiais microporosos e macroporosos, Liu et al. a hipótese de que as fibras de carbono serão capazes de atingir altas taxas de capacidade de dessalinização devido à arquitetura hierárquica interconectada. Nesse trabalho, a equipe demonstrou fibras de carbono porosas (PCFs) como materiais de eletrodo superiores para deionização capacitiva. A inovação da técnica aqui contou com o design do precursor do eletrodo de carbono em nível molecular. Liu et al. usou um copolímero de bloco para criar PCFs por meio de eletrofiação, oxidação, estabilização, e pirólise. A grande área de superfície de dessalinização efetiva resultante com arquitetura abundante e uniforme aumentou a capacidade de dessalinização, permitindo o transporte rápido de elétrons e a difusão rápida de íons.

Para projetar materiais para CDI, a equipe estudou três materiais de carbono, incluindo PCF baseado em copolímero em bloco (fibras de carbono porosas) com grande área de superfície acessível a íons. A equipe também testou fibras industriais de carbono à base de PAN (poliacrilonitrila) e carvão ativado (AC). O carbono fibroso e mesoporos interconectados permitiram vias de transporte contínuas e eficazes para elétrons e íons, enquanto reduz a resistência interna de dessalinização nas células e melhora a taxa de dessalinização. Em contraste, os outros materiais tinham área de superfície limitada para eletrosorção de íons e uma taxa de dessalinização deteriorada. A equipe então aderiu a todos os três materiais; PCF, CF e AC para fitas de cobre estanhado e usado como eletrodos em células CDI. Usando imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM), eles notaram aparências distintas para os três materiais diversos. Com base nos resultados iniciais, eles esperavam que o PCF exibisse a maior taxa de dessalinização.

Em seguida, os cientistas realizaram uma série de experimentos para compreender as propriedades químicas e elétricas dos três materiais. Depois de medir o ângulo de contato da água entre a superfície, eles notaram um grande ângulo de contato para substratos AC, que representou uma interface hidrofóbica (repelente de água) - indesejável para dessalinizar soluções aquosas. Enquanto isso, sem quaisquer aditivos condutores, os materiais PCF e CF eram altamente condutores elétricos de acordo com a espectroscopia de impedância eletroquímica e medições de sonda de quatro pontos. Com base em várias características, incluindo estruturas porosas hierárquicas, área de superfície efetiva, alta condutividade elétrica e baixa resistência à difusão, a equipe decidiu que o PCF seria um excelente material de eletrodo para o CDI.

Eles demonstraram a capacidade de desionização do PCF dessalinizando duas fontes de água, incluindo água salobra artificial com cloreto de sódio (NaCl) e água da torneira sintética com NaCl em células cônicas, com dois eletrodos simétricos. Eles determinaram as concentrações usando cromatografia de íons e observaram que a concentração de NaCl na água da torneira caiu para uma concentração ultrabaixa após cinco ciclos de deionização. Liu et al. quantificou ainda mais a capacidade de dessalinização e a taxa de PCF usando deionização de ciclo único a uma tensão de polarização aplicada de 1,0 V através dos dois eletrodos de PCF para observar concentrações decrescentes de sal de 501,2 a 477,5 mg / L. Em comparação, As células CDI contendo CF e AC mostraram apenas uma ligeira diminuição na concentração de sal na mesma polarização de voltagem. A capacidade de dessalinização do PCF, a 30 mg _NaCl g _PCF ^-1 , superou outros eletrodos de CDI de carbono e atingiu uma taxa máxima de dessalinização de 38 mg g ^-1 min ^-1 aproximadamente 40 vezes mais rápido do que os nanotubos de carbono, grafeno, CFs e outros carbonos porosos tridimensionais.

O consumo de energia que acompanha o PCF também foi baixo, e o material versátil pode remover outros cátions comuns na água, incluindo íons de potássio (K ⁺ ), íons de magnésio (Mg ²⁺ ) e íons de cálcio (Ca ²⁺ ) As reações químicas não alteraram a superfície do PCF devido à dupla camada elétrica das células CDI, permitindo que a superfície retenha sua capacidade de dessalinização sem sinais de degradação ou perda substancial após ciclos repetidos de carga-descarga. Desta maneira, Tianyu Liu e colegas destacaram o PCF baseado em copolímero em bloco como um material de eletrodo de alto desempenho para CDI, ao mesmo tempo que mantém uma capacidade de dessalinização ultra-alta, superando outros materiais de carbono de última geração. Liu et al. creditaram a taxa ultrarrápida e a alta capacidade de dessalinização à estrutura combinada, propriedades físicas e elétricas do PCF. No futuro, Liu et al. irá investigar como as propriedades do PCF influenciam o desempenho da dessalinização - eles esperam uma correlação positiva entre as propriedades da superfície do material e a deionização capacitiva. Os pesquisadores propõem estratégias de engenharia adicionais para projetar um fluxo eficiente através de células de dessalinização contínua usando PCF para aumentar ainda mais a capacidade e a taxa de dessalinização.

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