上海海洋大學于飛&同濟大學/喀什大學馬杰團隊Matter：“拆積木”式配體裁剪實現電化學水處理極化調控

第一作者：張笑晨

共同作者：劉 朋

通訊作者： 馬杰&于飛

通訊單位： 同濟大學；上海海洋大學；喀什大學

論文網址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238526001827?dgcid=author

通訊作者郵箱：jma@tongji.edu.cn；fyu@vip.163.com

摘要圖：

研究背景

電化學離子捕獲體系的效能上限并非僅由電極容量決定，更受限于外加電壓向有效工作電壓的轉化效率。在電容去離子（CDI）運行過程中，體系極化可分為歐姆極化、電化學極化與濃差極化。其中，由界面電荷轉移遲緩引發的電化學極化以及由離子補給不足和孔內遷移受限引發的濃差極化，更直接造成有效工作電壓損失并壓縮離子捕獲驅動力。然而，在實際運行過程中，極化通常表現為整體電壓損失，既難以定量拆分，也難以與材料結構調控建立清晰構效關系。

本文亮點

A、選擇性配體裁剪實現極化定向調控

B、原位解耦極化并定量評估抑制程度

C、極化控制驅動快速電化學離子捕獲

內容簡介

針對電化學離子捕獲過程中極化難以解耦與調控、制約離子捕獲效能提升這一問題，同濟大學/喀什大學馬杰課題組與上海海洋大學于飛課題組提出“拆積木”式選擇性配體裁剪策略，對金屬有機框架（MOF）局域配位單元實施定向化學重構。所得PDS-MOF中，局域非對稱性增強并提高偶極矩，強化界面電子轉移動力學；同時，孔道微環境重塑削弱了離子-孔相互作用，優化離子傳輸動力學。基于GITT與DRT分析，研究實現 CDI 運行過程中極化行為解耦，并證實PDS-MOF總極化降低 33%。據此，PDS-MOF 獲得 1.18 mgF? gMOF electrode-1 min-1的氟離子捕獲速率。研究結果表明，極化并非不可解析的整體電壓損失，而是可通過結構設計實現定量識別與調控的重要運行參數。

圖文導讀

圖1. 極化雙重抑制材料體系的構建

研究以電化學極化與濃差極化共同制約工作電壓利用率為切入點，提出選擇性配體裁剪策略，并在鋯基金屬有機框架中完成局域配位單元定向化學重構。相關結果表明，該策略實現的不是簡單表面修飾，而是圍繞局域配位環境和孔道環境的同步調整，為后續電子轉移和離子傳輸行為變化奠定了材料基礎。

圖2. 局域配位調整對傳荷與傳質過程的影響

在材料結構變化基礎上，研究進一步表明，局域非對稱性增強可提高偶極矩，并強化界面電子轉移；孔道微環境變化則削弱離子-孔相互作用，改善離子傳輸行為。由此，配體裁剪所引起的結構變化同時作用于界面傳荷與孔內傳質兩個過程，使極化調控從單一過程優化轉向對關鍵動力學過程的同步調節。

圖3. 極化調控驅動氟離子捕獲性能整體提升

隨著界面電子轉移和離子傳輸同步改善，PDS-MOF 在氟離子捕獲速率、容量、能耗和循環穩定性等方面均表現出更優特征，并在競爭離子體系及實際水樣條件下保持有效作用。相關結果說明，局域配位重構帶來的變化能夠穩定轉化為電化學離子捕獲效能提升，而并非局限于特定測試條件。

圖4. 極化解耦建立結構調控與極化降低之間的直接聯系

在性能結果基礎上，研究進一步對 CDI 運行過程中的極化行為進行分析。結果表明，PDS-MOF 中電子轉移相關過程與離子傳輸相關過程均得到改善，總極化明顯降低。由此，極化不再僅以整體電壓損失形式被觀察，而能夠與具體材料結構調控聯系起來，從而為極化調控提供了更明確的分析基礎。

圖5. 極化控制重構界面氟離子捕獲路徑

進一步研究表明，選擇性配體裁剪對氟離子捕獲的作用貫穿界面過程多個階段，包括離子接近界面、界面富集以及位點結合。電子轉移增強與離子傳輸優化并非彼此孤立，而是在界面過程中共同發揮作用，最終影響氟離子捕獲行為。

總結與展望

本研究針對電化學離子捕獲體系中極化難以解耦與調控的問題，發展了“拆積木”式選擇性配體裁剪策略，并在鋯基金屬有機框架中實現了局域配位單元定向化學重構。研究表明，該策略能夠同時影響界面電子轉移與離子傳輸過程，從而降低運行態極化并提升氟離子捕獲效能。進一步地，研究將極化行為解析與材料結構調控建立聯系，為理解電化學離子捕獲體系中工作電壓損失來源及其調控路徑提供了新的認識。未來，可進一步圍繞不同配位環境、不同離子體系及復雜水化學條件下極化演化規律開展研究，以推動相關材料設計由經驗優化走向面向運行過程的定向調控。

作者簡介

第一作者信息：

張笑晨，同濟大學環境科學與工程學院博士研究生，師從馬杰教授。從事用于電容去離子（CDI）技術的高效鹵素離子捕獲電極設計與跨界面離子傳輸機制研究。博士期間，以一作（含共一）于Nat. Water, Matter, Small等期刊發表SCI論文6篇；曾獲研究生國家獎學金、中國材料大會2024暨第二屆世界材料大會優秀青年學術報告、上海市優秀畢業生、上海赴外國際組織實習生預備營項目優秀學生等榮譽獎勵；入選2025年度中國科協青年科技人才培育工程博士生專項計劃。

通訊作者信息：

于飛，教授，長期從事水污染控制技術與資源化研究，主持包括國家自然科學基金面上項目、青年基金等十余課題，在Adv. Funct. Mater., Nano Let., Adv. Sci., Small, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一作者/通訊作者身份發表SCI論文一百余篇，其中21篇論文入選ESI高被引論文（或ESI熱點論文）；累計引用1.2萬余次。曾榮獲上海市“優秀博士論文”、教育部國務院學位委員會“博士研究生學術新人獎”，2022年度上海市自然科學二等獎，2022度中國化工學會基礎研究成果獎二等獎等，2020度河南省自然科學獎三等獎（3/5），2023-2025年入選愛思唯爾“中國高被引學者”，2020-2025連續六年入選斯坦福大學發布的“全球前2%頂尖科學家年度榜單”，2023-2025年連續三年入選“全球前2%頂尖科學家終身科學影響力排行榜”，入選2018年上海市人才發展基金，授權中國發明專利16余項；擔任本領域知名學術期刊審稿人、《材料導報》等期刊編審專家、新加坡維澤材料科學專家委員會成員、巴塞爾公約亞太區域中心化學品和廢物環境管理智庫專家（No. 00698)，國家科技部科技專家庫和上海市科學技術獎專家庫專家等。

馬杰，同濟大學環境科學與工程學院 教授，博士生導師，喀什大學土木工程學院院長，新疆碳納米材料制備與應用重點實驗室主任，喀什大學水資源與水環境工程技術中心主任，中組部第十一批上海援疆干部，新疆天山創新團隊負責人，組建同濟大學環境功能材料研究中心（https://nano.tongji.edu.cn/）和喀什大學環境生態修復功能材料與技術團隊，長期致力于水資源高效利用研究，主持5項國家自然科學基金，在Nat. Water, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Matter, Adv. Funct. Mater., Nano Let., Research, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一/通訊作者發表SCI論文250余篇，ESI高被引/熱點論文35篇/次，論文總他引21000次，h-index 80，主編《環境材料概論》，參編英文專著3部，授權中國發明專利20項。擔任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化學學報和復合材料學報等期刊編委，新疆地震學會副理長，新疆工程材料與結構重點實驗室學術委員會副主任，新疆節能減排專家委員會學術委員會副主任，中國化學會高級會員、中國有色金屬學會環境保護學術委員會委員等，入選“上海市東方英才計劃拔尖項目”，“新疆杰出青年基金”，“上海市人才發展基金”、同濟大學“中青年科技領軍人才”和“百人計劃”等，獲上海市自然科學二等獎（1/5），河南省自然科學獎三等獎、中國化工學會基礎研究成果獎二等獎等，擔任中國環境科學學會年會《環境修復材料》分會主席，中國材料大會《環境分離凈化材料與技術》分會主席，中國新材料產業發展大會《環境分離凈化材料》分會主席，入選科睿唯安 “全球高被引科學家”，愛思唯爾“中國高被引學者”，斯坦福“全球前2%頂尖科學家榜單”和ScholarGPS全球前0.05%頂尖科學家榜單。

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