Open Access 
Abstract
Capacitive deionization (CDI) has emerged as a revolutionary method for removing salt from solutions, gaining immense attraction due to its manifold benefits compared to the traditional desalination methods. This electrochemical technique offers a distinctive amalgamation of cost-effectiveness, energy efficiency, environmental sustainability, and operational simplicity. Moreover, the evolution of Hybrid Capacitive Deionization (HCDI) has furthered the possibilities within water desalination. By integrating carbon electrodes with those capable of redox reactions, HCDI displays significantly heightened ion adsorption efficiency in contrast to its precursor, conventional CDI which relies solely on carbon electrodes. The pivotal aspect revolving around materials not only facilitated redox reactions but also intricately entwined ions within their structural framework. This paper presented the synthesis of a layered δ-MnO2/C65 composite material using the sol-gel method. Characterization techniques of XRD, SEM and BET analyses showed critical insights into crystal phases, morphology, and structural attributes. Further assessment of its electrochemical properties via cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) unequivocally underscores its potential in capacitive deionization applications. Notably, employing an asymmetric salt adsorption configuration with an activated carbon anode electrode derived from coconut shell (AC) in an AC||δ-MnO2/C65 model yielded exceptional results. The δ-MnO2/C65-1 composite emerged as the top performer showcasing the highest recorded salt adsorption capacity (SAC) of 38.4 mg/g, accompanied by an unparalleled salt adsorption rate (ASAR) of 2.1 mg/g.s-1. Detailed structural, morphological, and electrochemical analyses unequivocally identified the δ-MnO2/C65-1 composite as the optimal ratio, heralding superior efficacy and performance in salt removal and ion adsorption, a significant leap forward in capacitive deionization technology.
MỞ ĐẦU
Công nghệ điện dung khử ion (capacitive deionization, CDI) được xem là một phương pháp khử mặn đầy hứa hẹn, ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. So với những phương pháp khử mặn khác như: thẩm thấu ngược (reverse osmosis), điện phân (electrodialysis), chưng cất nhiệt (thermal distillation), CDI có lợi thế về hiệu điện thế hoạt động thấp, năng lượng tiêu thụ thấp. Lợi thế lớn nhất của CDI là năng lượng tiêu thụ thấp và có thể tái sinh trong quá trình giải hấp vì tương đồng với cơ chế tích trữ năng lượng của siêu tụ điện 1 . Một hạn chế lớn trong việc sử dụng các điện cực dựa trên carbon trong các thiết bị CDI là khả năng hấp phụ ion tương đối thấp. Điện dung khử ion lai (Hybrid capacitive deionization, HCDI) có thể khắc phục được các nhược điểm trên cho hiệu suất và tốc độ khử mặn đều cao 2 . Các hợp chất cho đan cài ion và có phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch với các ion trong dung dịch là một loại vật liệu đầy hứa hẹn cho điện cực HCDI. Những vật liệu này thường loại bỏ các ion khỏi dung dịch không chỉ thông qua hấp thụ bề mặt mà còn trao đổi điện tích và cho phép các ion đan cài vào cấu trúc tinh thể của chúng. Do đó làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ ion của điện cực. Hơn nữa, khi ghép nối một điện cực giả điện dung hấp phụ cation với điện cực carbon hấp phụ anion từ một dung dịch tạo hệ HCDI được chứng minh là mang lại khả năng thải loại ion và tốc độ thải loại ion đều cao 3 .
Vật liệu manganese dioxide (MnO 2 ) là một vật liệu giả tụ điện có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ HCDI vì sản lượng dồi dào, giá rẻ và thân thiện với môi trường, điện dung riêng cao (~300 F/g trong trạng thái oxi hóa ion Mn từ 4+ thành 3+ trong của sổ thế 0,8 V) 4 . Thông qua nghiên cứu cơ chế đan cài bề mặt và quá trình faradic của ion nhờ việc đưa các cation của chất điện ly (Na + , K + hoặc Li + ) vào cấu trúc của vật liệu điện cực và trao đổi proton trong phản ứng 5 đã giúp điện dung của vật liệu MnO 2 liên tục được nghiên cứu cải tiến. Trong chất điện ly tan trong nước, cơ chế tích điện của MnO 2 có thể được mô tả bởi phản ứng sau:
MnO 2 + M + + e − ↔ MnOOM
Trong đó M + đại diện cho proton hoặc cation kim loại kiềm như Li + , Na + , K + . Quá trình tích trữ điện tích dựa vào sự hấp phụ cation trên bề mặt vật liệu điện cực hoặc đan xen các cation vào khoảng trống của cấu trúc vật liệu 6 . Sự đa hình của MnO 2 dẫn đến các đặc điểm bề mặt, lỗ xốp và kích thước lỗ trống trong cấu trúc tinh thể khác nhau. Từ đó thúc đẩy tính chọn lọc hóa học đối với các ion điện ly khác nhau ở liên diện điện cực/chất điện phân dẫn đến điện dung có khác biệt giữa các pha tinh thể. Cấu trúc tinh thể MnO 2 rất đa dạng 1D α-MnO 2 , 2D δ-MnO 2 , 3D l-MnO 2 . Trong đó cấu trúc 2D δ-MnO 2 có nhiều đặc tính điện hóa đặc biệt do vật liệu có dạng cấu trúc lớp, cho phép các ion đi vào trong và đan cài được qua từng lớp tinh thể của vật liệu.
Tuy nhiên, MnO 2 có nhược điểm là độ dẫn điện kém (10 −5 đến 10 −6 S/cm) và hệ số khuếch tán ion thấp (10 -15 −10 -13 cm 2 /s) 7 , 8 . Để khắc phục những nhược điểm về độ dẫn điện kém của MnO 2 các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể bổ sung các vật liệu carbon có độ dẫn điện cao như là CNTs, graphene oxide, carbon hoạt tính, C 65 ... Trong đó, carbon C 65 là loại carbon dẫn điện thường được sử dụng trong các hệ pin sạc và siêu tụ điện hóa vì có độ dẫn điện cao và giá thành phù hợp, carbon C 65 có kích thước hạt nhỏ (~150 nm) 9 nên có khả năng liên kết các hạt MnO 2 với nhau theo tiếp xúc điểm (point-contact), từ đó giúp tăng khả năng truyền dẫn electron trong hệ composite.
Bài báo trình bày việc chế tạo hệ composite δ-MnO 2 /C 65 bằng phương pháp sol-gel với các tỷ lệ carbon dẫn C 65 khác nhau nhằm tăng cường khả năng dẫn điện của vật liệu. Hệ composite δ-MnO 2 /C 65 được khảo sát cấu trúc và hình thái vật liệu, bên cạnh đó tính chất điện hóa và khả năng hấp phụ muối của hệ composite được khảo sát trên mô hình stack HCDI bất đối xứng.
THỰC NGHIỆM
Tổng hợp vật liệu δ-MnO2 bằng phương pháp sol-gel
Vật liệu cấu trúc lớp δ-MnO 2 được tổng hợp theo quy trình sol-gel dựa trên nghiên cứu của Bach cùng cộng sự 10 , 11 . Hòa tan 2,370 g KMnO 4 (97−100%, Fisher, USA) trong 20 mL nước, hòa tan 0,580 g fumaric acid (99,5%, Fisher, USA) trong 40 mL nước. Carbon dẫn C 65 (MTI, Mỹ) được hòa tan vào trong dung dịch fumaric acid với tỉ lệ theo khối lượng so với MnO 2 tạo thành theo lý thuyết lần lượt là 0,0%; 1,0%; 3,0% và 5,0%, các kí hiệu mẫu được đặt tên như Bảng 1. Hỗn hợp được phân tán sử dụng siêu âm rong 30 phút sau đó được khuấy từ ở 60 o C. Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch KMnO 4 vào becher chứa fumaric acid đang khuấy. Duy trì nhiệt độ 80°C đến khi sol thành gel. Gel được sấy ở nhiệt độ 120°C trong 1,5 giờ thu được sản phẩm dạng bột xerogel. Sản phẩm tiếp tục được nung ở 600 o C, 12 giờ trong môi trường khí trơ. Sau đó, sản phẩm sau nung được ngâm trong dung dịch H 2 SO 4 2 M trong 30 phút và cuối cùng là lọc rửa bằng nước cất hai lần trong môi trường áp suất thấp cho đến khi pH 7. Cuối cùng, sấy khô ở 120 o C trong 1,5 giờ thu được thành phẩm composite δ-MnO 2 /C 65 .
Màng điện cực được chế tạo theo bằng cách phối trộn hỗn hợp δ-MnO 2 /C 65 với carbon dẫn graphite và hệ kết dnh polyvinylidene fluoride (PVdF, M w ~ 300.000, Sigma Aldrich) theo tỷ lệ khối lượng 80:15:5 và sử dụng phương pháp doctor blade để tạo màng điện cực trên điện cực dẫn graphite và cố định độ dày màng 150−200 µm. Điện cực sau khi cán, được sấy chân không ở 100 o C trong 12 giờ.
Khảo sát hình thái và cấu trúc vật liệu composite δ-MnO2/C65
Cấu trúc và kích thước tinh thể của vật liệu composite được đo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, (Unisantis XMD-300 nguồn Cu 𝐾 𝛼 (𝜆= 1,5406 Å) với góc quét 2θ từ 10 o đến 70 o . Hình thái bề mặt của vật liệu được quan sát bằng kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM) với thiết bị JSM-7500F (Nhật) ở điện thế gia tốc 5 kV. Độ xốp vật liệu được xác định bằng phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N 2 ở 77 K trên thiết bị TriStar II-3000 Analyzer (Micromeritics, USA).
Nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu composite δ-MnO2/C65
Tính chất điện hóa của vật liệu điện cực được khảo sát bằng hệ ba điện cực: điện cực làm việc δ-MnO 2 /C 65 , điện cực so sánh Ag/AgCl (KCl 3,5 M) và điện cực đối (CE) Pt trong dung dịch điện ly Na 2 SO 4 1 M trên thiết hị điện hóa đa năng mã nguồn mở Opensens 12 và thiết bị Gamry Reference 600 (USA). Phương pháp tổng trở điện hóa (EIS) được đo từ 100 kHz tới 0,1 HZ, phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) được thực hiện trong cửa sổ thế từ 0 V đến 1,0 V (vs. Ag/AgCl), tốc độ quét từ 5mV/s đến 100 mV/s. Từ đường cong CV, giá trị điện dung riêng được xác định dựa vào công thức (1):
Trong đó ∆S là diện tích đường cong CV, v là tốc độ quét (V/s), m là khối lượng của vật liệu điện cực và ∆E là cửa sổ thế (V).
Khảo sát khả năng hấp phụ muối của vật liệu composite δ-MnO2/C65
Khảo sát khả năng hấp phụ muối bằng phương pháp HCDI được tiến hành theo chế độ bơm tuần hoàn (batch-mode) với hệ thống bao gồm bơm nhu động, hệ stack HCDI bất đối xứng cấu trúc: AC||δ-MnO 2 /C 65 , thiết bị điện hóa đa năng mã nguồn mở Opensens và máy đo độ dẫn điện (Jenway 4510). Khảo sát trong dung dịch NaCl 200 ppm với thể tích cố định 50 mL với điện áp khảo sát lần lượt là 1,0 V; 1,2 V; 1,4 V và 1,6 V. Từ đó kết quả biến thiên nồng độ muối theo thời gian, đánh giá được dung lượng hấp phụ muối (SAC) và tốc độ hấp phụ muối trung bình của hệ điện cực (ASAR) theo công thức (2) và (3).
Trong đó, ∆C là nồng độ muối giảm (ppm), V là thể tích muối được loại bỏ (L), m là tổng khối lượng vật liệu anode và cathode (g), t là thơi gian loại bỏ muối (giây). C o là nồng độ muối ban đầu (ppm), C là nồng độ muối lúc sau (ppm), Q là lưu lượng thể tích (mL/giây).
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả hình thái, cấu trúc
Giản đồ XRD của các vật liệu composite MnO 2 /C 65 được biểu diễn trong Figure 1 . Mẫu vật liệu MnO 2 và composite δ-MnO 2 /C 65 theo các tỉ lệ phần trăm khối lượng khác nhau lần lượt được kí hiệu là δ-MnO 2 , δ-MnO 2 /C 65 -1, δ-MnO 2 /C 65 -3, δ-MnO 2 /C 65 -5. Kết quả XRD cho các mũi đặc trưng cho cấu trúc MnO 2 pha birnessite (𝛿), bao gồm các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện ở vị trí 2θ là 12,0 o ; 26,4 o ; 36,5 o ; 65,6 o tương ứng với các mặt mạng (001), (002), (110), (020) phù hợp với thông số chuẩn của MnO 2 pha birnessite (JCPDS-01-080-1098). Không có sự xuất hiện của các đỉnh đặc trưng của C 65 trong giản đồ XRD của các vật liệu composite. Điều này có thể là do hàm lượng wt% của C 65 có trong mẫu được tổng hợp theo quy trình là tương đối thấp (1−5%) và đỉnh đặc trưng của C 65 ở 2θ = 26,4 o bị che khuất bởi đỉnh đặc trưng (002) của pha birnessite MnO 2 tại vị trí 2θ = 25 o .
Các thông số mạng tinh thể về độ bán rộng của các đỉnh nhiễu xạ, các giá trị kích thước tinh thể trung bình được tính toán từ công thức Scherrer (k = 0,9) và trình bày trong Bảng 2 . Kết quả cho thấy kích thước tinh thể tăng khi hàm lượng C 65 tăng, bên cạnh đó các vật liệu tổng hợp đều có kích thước ở cấp độ sub-micromet. Kết quả phân tích hấp phụ giải hấp N 2 ở nhiệt độ 77K được biểu diễn trong Hình S1, diện tích bề mặt vật liệu không có sự thay dổi đáng kể khi bổ sung carbon C 65 (~100 m 2 /g) và kích thước lỗ xốp phân bố rộng ở 3−30 nm.
Hình thái bề mặt và sự phân bố cũng như kích thước của các hạt composite δ-MnO 2 /C 65 được khảo sát thông qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phổ EDX và phân tích nguyên tố được thể hiện trong Figure 2 và Hình S3-S6. Quan sát có thể thấy rằng các hạt composite δ-MnO 2 /C 65 đều có chung dạng hình cầu, bề mặt gồ ghề và các hạt phân bố khá đồng đều. Hình thái vật liệu có dạng xốp góp phần tăng diện tích tiếp xúc giữa điện cực với chất điện phân, làm tăng hiệu quả hấp phụ ion.
Tính chất điện hóa của vật liệu
Các đường cong CV của các vật liệu composite δ-MnO 2 /C 65 với các tốc độ quét thế tăng dần từ 5 mV/s đến 100 mV/s được biểu diễn trên Figure 3 đều có dạng đối xứng cho thấy tính thuận nghịch của quá trình tích trữ năng lượng của vật liệu điện cực composite δ-MnO 2 /C 65 . Mặc dù trên đường cong CV không thấy xuất hiện rõ ràng của các mũi oxy hóa khử nhưng các nghiên cứu về vật liệu MnO 2 đã chỉ ra tính chất tích trữ năng lượng theo dạng giả điện dung (pseudo-capacitive) thông qua các quá trình thay đổi trạng thái oxy hóa khử của Mn 4+ ↔ Mn 3+ trên bề mặt vật liệu 13 .
Đồ thị ở Figure 4 a biểu diễn đường cong CV dạng “Capacitance vs. E” tại tốc độ quét thế 5 mV/s. Giá trị điện dung riêng đạt cao nhất 133 F/g cho vật liệu δ-MnO 2 /C 65 -1, đối với các vật liệu còn lại lần lượt là 109 F/g (δ-MnO 2 ), 92 F/g (δ-MnO 2 /C 65 -3) và 61 F/g (δ-MnO 2 /C 65 -5); như vậy điện dung riêng của các điện cực composite tăng khi bổ sung thành phần carbon dẫn C 65 trong quá trình tổng hợp. Carbon C 65 có cấu trúc dạng cầu với kích thước trong khoảng 20−100 nm cho phép các hạt carbon bám trên bề mặt vật liệu giúp cải thiện quá trình chuyển điện tích.
Figure 4 b biểu diễn giá trị điện dung riêng theo tốc độ quét thế từ 5 mV/s đến 100 mV/s và giá trị điện dung riêng giảm dần khi tăng tốc độ quét thế. Tại tốc độ quét thế thấp, các ion trong dung dịch điện ly có thời gian khuếch tán và tích điện trên bề mặt cũng như thực hiện các quá trình oxy hóa khử. Khi tăng tốc độ quét thế, quá trình tích điện diễn ra nhanh nên dẫn đến giá trị điện dung riêng thấp. Nhận thấy giá trị điện dung riêng của vật liệu δ-MnO 2 /C 65 -1 luôn cao hơn so với các vật liệu còn lại, cho thấy hàm lượng phù hợp cho composite tạo thành với 1% carbon C 65 .
Figure 2 . Ảnh SEM lần lượt của các mẫu composite: a) δ-MnO 2 b) δ-MnO 2 /C 65 -1 c) δ-MnO 2 /C 65 -3 d) δ-MnO 2 /C 65 -5.
Figure 3 . Đường CV của các mẫu composite ở các tốc độ quét khác nhau: a) δ-MnO 2 b) δ-MnO 2 /C 65 -1 c) δ-MnO 2 /C 65 -3 d) δ-MnO 2 /C 65 -5 e) đường CV các mẫu ở tốc độ quét 5 mV/s.
Figure 4 . Đường CV biểu diễn điện dung riêng của các mẫu δ-MnO 2 /C 65 ở tốc độ quét 5 mV/s (a) và iểu đồ cột của các mẫu composite biểu diễn điện dung riêng theo các tốc độ quét tăng dần (b).
Figure 5 . Phổ EIS dạng Nyquist của các vật liệu composite δ-MnO 2 /C 65 trong môi trường dung dịch điện ly Na 2 SO 4 1 M.
Figure 5 biểu diễn phổ tổng trở điện hóa EIS của các điện cực composite ở dạng Nyquist. Trên phổ EIS, tại vùng tần số cao, cung chuyển điện tích xuất hiện rõ rệt chứng tỏ quá trình tích điện theo cơ chế Faraday đối với vật liệu δ-MnO 2 , ngoài ra, bán bung chuyển điện tích có độ lớn lần lượt là δ-MnO 2 /C 65 -5 > δ-MnO 2 > δ-MnO 2 /C 65 -3 > δ-MnO 2 /C 65 -1 cho thấy quá trình chuyển điện tích trên vật liệu δ-MnO 2 /C 65 -1 là diễn ra tốt nhất, điều này có thể được lí giải do độ dẫn điện của C 65 vốn đã cao khi kết hợp với các hạt MnO 2 tạo thành tổ hợp matrix dẫn điện tốt. Tại vùng tần số trung bình, quá trình khuếch tán ion theo mô hình Warburg đặc trung bởi đường thẳng 45 o . Giá trị hệ số khuếch tán ion Na + cũng được xác định theo phương trình:
Trong đó, R là hằng số khí lý tưởng (8,314 J/mol.K), T là nhiệt độ (K), A là diện tích điện cực (cm 2 ), n là số electron trao đổi (n = 1), F là hằng số Faraday (96485 C/mol), C là nồng độ ion trong cấu trúc và là hệ số góc đường thẳng biểu diễn Z real vs ω -1/2 trong vùng khuếch tán Warburg.
Hệ số góc của đường thẳng biểu diễn Z real vs ω -1/2 ( ) của các mẫu composite lần lượt là 10,26 Ω.cm 2 .s -1/2 (δ-MnO 2 ), 2,93 Ω.cm 2 s -1/2 (δ-MnO 2 /C 65 -1), 8,38 Ω.cm 2 .s -1/2 (δ-MnO 2 /C 65 -3) và 16,60 Ω.cm 2 .s -1/2 (δ-MnO 2 /C 65 -5). Ở mẫu δ-MnO 2 /C 65 -1 có giá trị nhỏ nhất, cho thấy được hệ số khuếch tán ion (D) là cao nhất đạt 5,04 ×10 -15 cm 2 /s. Ngoài ra, ở vùng tần số thấp (<1 Hz) đặc trưng cho quá trình tích điện bề mặt của mẫu δ-MnO 2 /C 65 -1 có hệ số góc thấp nhất. Điều này chứng minh rằng kết quả phân tích EIS giải thích giá trị điện dung cao của mẫu δ-MnO 2 /C 65 -1 so với các mẫu còn lại do có quá trình chuyển điện tích nhanh (R ct nhỏ), tốc độ chuyển ion nhanh (hệ số khuếch tán ion cao hơn) và quá trình tích điện trên bề mặt diễn ra tốt hơn.
Đánh giá khả năng hấp phụ muối của vật liệu
Sau khi khảo sát tính chất điện hoá của các vật liệu điện cực, tiến hành khảo sát quá trình khử mặn của các điện cực δ-MnO 2 /C 65 trong hệ stack HCDI theo mô hình bất đối xứng với điện cực phía anode là than hoạt tính AC và điện cực phía cathode là vật liệu composite δ-MnO 2 /C 65 trong dung dịch NaCl 200 ppm tại các giá trị áp thế cố định 1,0 V; 1,2 V; 1,4 V; 1,6 V trong thời gian 60 phút. Sự thay đổi của nồng độ của dung dịch NaCl theo thời gian của quá trình hấp phụ muối tại các điện thế khác nhau được mô tả ở Figure 6 . Có thể thấy nồng độ muối của các mẫu vật liệu có xu hướng giảm trong 10-30 phút đầu, sau đó nồng độ dần ổn định do gần đạt bão hoà và không có sự thay đổi nồng độ trong khoảng 30 phút tiếp theo. Đồ thị cho thấy được δ-MnO 2 /C 65 -1 có nồng độ muối sau quá trình hấp phụ giảm nhiều hơn so với các mẫu còn lại và cũng cho kết quả SAC và ASAR cao nhất (38,4 mg/g và 2,1 mg/g.s -1 ) ở điện thế 1,4 V ( Figure 6 e và Figure 6 f). Điều này phù hợp với các kết quả điện hóa CV và EIS được trình bày trước đó.
Biểu đồ Kim-Yoon trong Figure 6 f mô tả mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ muối SAC với tốc độ hấp phụ muối trung bình ASAR, là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất khử mặn của các vật liệu trong HCDI. Hiệu suất khử mặn lớn làm dịch chuyển đường cong phía trên bên phải. Điều này có nghĩa là dung lượng hấp phụ muối và tốc độ loại bỏ ion đều tăng lên. Kết quả cho thấy ở điện thế 1,4 V các mẫu vật liệu thể hiện giá trị dung lượng hấp phụ muối cao nhất với tốc độ hấp phụ nhanh nhất.
Figure 6 . Đồ thị thay đổi nồng độ theo thời gian của quá trình hấp phụ trong dung dịch NaCl 200 ppm ở các điện thế: a) 1,0 V; b) 1,2 V; c) 1,4 V; d) 1,6 V. Đồ thị biểu diễn giá trị SAC của các vật liệu tại các giá trị áp thế từ 1,0 V đến 1,6 V (e) và Biểu đồ Kim-Yoon của hệ HCDI AC||δ-MnO 2 /C 65 tại thế 1,4 V (f).
Figure 7 a biểu diễn một chu kỳ hấp phụ và giải hấp ion trong hệ HCDI AC||δ-MnO 2 /C 65 -1, trong quá trình điện hấp phụ (áp thế cô định 1,4 V), độ dẫn của dung dịch giảm dần và tăng lên cho quá trình giải hấp phụ (áp thế cố định -1,4 V); điều này cho thấy quá trình hấp phụ và giải hấp ion diễn ra thuận nghịch trên điện cực. Ngoài ra, khi khảo sát độ bền của quá trình hấp phụ giải hấp ion ( Figure 7 b), có thể nhận thấy giá trị SAC được duy trì ổn định trong khoảng 36−38 mg/g, chứng tỏ độ bền của điện cực theo thời gian.
Figure 7 . Chu kỳ hấp phụ và giải hấp ion trong hệ HCDI AC||δ-MnO 2 /C 65 -1 (a) và sự duy trì dung lượng hấp phụ theo 20 chu kỳ hoạt động (b).
KẾT LUẬN
Vật liệu composite δ-MnO 2 /C 65 bằng phương pháp sol-gel với các thành phần carbon dẫn C 65 khác nhau đã được tổng hợp thành công. Cấu trúc lớp của vật liệu δ-MnO 2 được duy trì cho các thành phần carbon. Khi đánh giá tính chất điện hóa cũng đã cho thấy được hiệu suất tốt trong công nghệ khử mặn và có tiềm năng trong ứng dụng siêu tụ điện với hàm lượng C 65 1%. Vật liệu δ-MnO 2 /C 65 -1 có dung lượng hấp phụ muối cao 38,4 mg/g và tốc độ hấp phụ muối nhanh 2,1 mg/g.s -1 ở điện thế 1,4 V; vật liệu này cho thấy tiềm năng ứng dụng cho các hệ thống khử mặn theo công nghệ điện dung lai HCDI.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuôn khổ Đề tài mã số B2023-18-07.
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Nhóm tác giả xin cam đoan rằng không có bất kỳ xung đột lợi ích nào trong công bố bài báo.
ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ
Nguyễn Đăng Khoa, Nguyễn Trần Nhạc Khoa, Nguyễn Hoàng Anh, Tô Minh Đại, Đoàn Lê Hoàng Tân và Đào Anh Tuấn tiến hành thực nghiệm và xử lý dữ liệu thô.
Nguyễn Thái Hoàng, Lê Viết Hải và Huỳnh Lê Thanh Nguyên đã đóng góp về phân tích và kiểm tra dữ liệu.
Huỳnh Lê Thanh Nguyên, Nguyễn Hoàng Anh và Tô Minh Đại đóng góp xử lý số liệu và soạn bản thảo bài báo.
Huỳnh Lê Thanh Nguyên tham gia đưa ra ý tưởng và chỉnh sửa nội dung khoa học bài báo.
References
- Zhao X, Wei H, Zhao H, Wang Y, Tang N. Electrode materials for capacitive deionization: A review. J Electroanal Chem. 2020;873:114416. . ;:. Google Scholar
- Tang W, Liang J, He D, et al. Various cell architectures of capacitive deionization: Recent advances and future trends. Water Res. 2019;150:225–251. . ;:. Google Scholar
- Byles BW, Hayes-Oberst B, Pomerantseva E. Ion removal performance, structural/compositional dynamics, and electrochemical stability of layered manganese oxide electrodes in hybrid capacitive deionization. ACS Appl Mater Interfaces. 2018;10(38):32313–32322. . ;:. Google Scholar
- Song MK, Cheng S, Chen H, Qin W. Anomalous pseudocapacitive behavior of a nanostructured, mixed-valent manganese oxide film for electrical energy storage. Nano Lett. 2012;12(7):3483–3490. . ;:. Google Scholar
- Zhao C, Ge Z, Zhou Y, Huang Y, Wang G, Qian X. Solar-assisting pyrolytically reclaimed carbon fiber and their hybrids of MnO2/RCF for supercapacitor electrodes. Carbon N Y. 2017;114:230–241. . ;:. Google Scholar
- Suss ME, Presser V. Water desalination with energy storage electrode materials. Joule. 2018;2(1):10–15. . ;:. Google Scholar
- Du W, Wang X, Zhan J. Biological cell template synthesis of nitrogen-doped porous hollow carbon spheres/MnO2 composites for high-performance asymmetric supercapacitors. Electrochim Acta. 2019;296:907–915. . ;:. Google Scholar
- Baral A, Satish L, Zhang G, Ju S, Ghosh MK. A review of recent progress on Nano MnO2: Synthesis, surface modification and applications. J Inorg Organomet Polym Mater. 2021;31(3):899–922. . ;:. Google Scholar
- Spahr ME, Goers D, Leone A, Stallone S, Grivei E. Development of carbon conductive additives for advanced lithium-ion batteries. J Power Sources. 2011;196(7):3404–3413. . ;:. Google Scholar
- Bach S, Henry M, Baffier N, Livage J. Sol-gel synthesis of manganese oxides. J Solid State Chem. 1990;88(2):325–333. . ;:. Google Scholar
- Bach S, Pereira-Ramos JP, Baffier N, Messina R. Birnessite manganese dioxide synthesized via a sol-gel process: A new rechargeable cathodic material for lithium batteries. Electrochim Acta. 1991;36(10):1595–1603. . ;:. Google Scholar
- Trinh VD, Le MK, Le PL. OPENSENS: A low-cost and multi-purpose electrochemical platform. J Appl Electrochem. 2023. . ;:. Google Scholar
- Chen C-Y, Wang S-C, Lin C-Y, Chen F-S, Lin C-K. Electrophoretically deposited manganese oxide coatings for supercapacitor application. Ceram Int. 2009;35(8):3469–3474. . ;:. Google Scholar
