近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所納米材料與器件技術(shù)研究部環(huán)境與能源納米材料中心團(tuán)隊(duì)基于電容去離子技術(shù)，發(fā)展出銅基普魯士藍(lán)（CuHCF）選擇性吸附電極?；谄洫?dú)特的晶體通道及特有的贗電容效應(yīng)，該電極展現(xiàn)出高效的選擇性電吸附鈣離子能力。該研究對(duì)硬水軟化技術(shù)具有重要意義。

水的硬度是世界各國(guó)普遍存在的水質(zhì)問(wèn)題。自來(lái)水、地面水、河水等常見(jiàn)的硬水一般由鈣、鎂離子引起，導(dǎo)致洗滌劑作用減弱，鍋爐、管道、熱交換器結(jié)垢，降低熱導(dǎo)率，增加能耗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致管道堵塞和鍋爐爆炸。長(zhǎng)期飲用硬水會(huì)增加人體泌尿系統(tǒng)結(jié)石的得病率，因此，硬水的軟化處理得到高度關(guān)注。然而，現(xiàn)有的硬水處理技術(shù)（如化學(xué)沉淀法、離子交換、膜過(guò)濾、電絮凝、反滲透等），維護(hù)費(fèi)用昂貴、能源消耗高、所需基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜，還需過(guò)度使用化學(xué)物質(zhì)。近年來(lái)，電容去離子技術(shù)（Capacitive Deionization，CDI）作為一種新型的水處理技術(shù)，具有操作方便、環(huán)境友好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，引起學(xué)界關(guān)注。目前，用于CDI水處理技術(shù)的電極材料多為碳材料，缺乏目標(biāo)離子的高效選擇性；具有高比電容的贗電容材料因其特有的離子選擇性，有望用于CDI硬水軟化領(lǐng)域。

為此，研究人員基于Ca²⁺離子的插層作用，首次利用CuHCF作為贗電容電極，在Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等多種陽(yáng)離子混合溶液中，對(duì)Ca²⁺實(shí)現(xiàn)高選擇性電吸附（圖1）。在非對(duì)稱電容去離子裝置中，1.4 V工作電壓下獲得42.8 mg/g的鈣離子最大吸附容量，尤其是在高鈉/鈣離子摩爾比（10：1）溶液中，仍保有最高吸附選擇性系數(shù)3.05；在循環(huán)過(guò)程中，CuHCF電極材料能夠保持原有的形貌和穩(wěn)定的吸附容量（圖2）。研究人員利用第一階、第二階動(dòng)力學(xué)和等溫吸附曲線，分析CuHCF電極材料的贗電容吸附行為；結(jié)合電化學(xué)表征及分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，闡明CuHCF電極材料選擇性吸附鈣離子的贗電容本征特性（圖3）。該研究有利于探索CDI贗電容電極材料高效選擇性電吸附目標(biāo)離子及CDI硬水軟化技術(shù)。

相關(guān)研究成果以Selective Pseudocapacitive Deionization of Calcium Ions in Copper Hexacyanoferrate為題，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。研究工作得到科技部國(guó)家重大研發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委基金項(xiàng)目的支持。

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圖1.CuHCF基電容去離子技術(shù)以及選擇性電吸附鈣離子示意圖

圖2.（a）CuHCF電極在1.4V下電吸附鈣離子的動(dòng)力學(xué)行為；（b）CuHCF電極在1.4V下鈣離子等溫吸附曲線；（c）在高鈉/鈣離子摩爾比溶液中鈉和鈣離子吸附量；（d）在高鈉/鈣離子摩爾比溶液中鈣離子吸附選擇性系數(shù)

圖3. CuHCF電極在1.0 M CaCl₂電解液中的（a）循環(huán)伏安曲線，（b）在不同掃速下贗電容貢獻(xiàn)率，（c）不同電解質(zhì)溶液中的循環(huán)伏安曲線，（d）分子動(dòng)力學(xué)模型示意圖