[論文レビュー] Activated carbon is an electron-conducting amphoteric ion adsorbent

P. M. Biesheuvel|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors参考文献 2被引用数 34

ひとこと要約

本稿では、活性化炭素（AC）電極におけるイオン電気脱離を説明するため、炭素-水界面に酸性（例：カルボキシル基）および塩基性（プロトン化された基平面）官能基を併せ持つ両性ドナントモデルを提案する。経験的「引力項」の代わりに化学的に根拠を持つ表面化学を組み込むことで、電気容量的脱塩（CDI）システムにおける、さまざまな電圧および塩濃度条件下での塩化ナトリウム（NaCl）、塩化カルシウム（CaCl₂）、および混合溶液におけるイオン吸着を正確に予測できるモデルが構築された。

ABSTRACT

Electrodes composed of activated carbon (AC) particles can desalinate water by ion electrosorption. To describe ion electrosorption mathematically, accurate models are required for the structure of the electrical double layers (EDLs) that form within electrically charged AC micropores. To account for salt adsorption also in uncharged ACs, an "attraction term" was introduced in modified Donnan models for the EDL structure in ACs. Here it will be shown how instead of using an attraction term, chemical information of the surface structure of the carbon-water interface in ACs can be used to construct an alternative EDL model for ACs. This EDL model assumes that ACs contain both acidic groups, for instance due to carboxylic functionalities, and basic groups, due to the adsorption of protons to the carbon basal planes. As will be shown, this "amphoteric Donnan" model accurately describes various data sets for ion electrosorption in ACs, for solutions of NaCl, of CaCl2, and mixtures thereof, as function of the external salt concentration and of the cell voltage between two AC electrodes in a process called capacitive deionization (CDI). The amphoteric Donnan model can be used to relate the conditions of activation treatment and electrode preparation (which both influence the carboxylic acid content) to the EDL-structure and desalination performance of ACs.

研究の動機と目的

• 外部の恣意的引力項に依存せずに、活性化炭素のマイクロポーレスにおける電気二重層（EDL）構造を物理的に正確にモデル化すること。
• 具体的に酸性カルボキシル基と塩基性プロトン化基平面を含む表面官能基が、電荷のないおよび帯電したAC電極におけるイオン吸着をどのように制御するかを理解すること。
• 予測可能なEDLモデルを通じて、活性化および電極調製条件とCDIにおける電極性能との関係を確立すること。
• 多様な電解質系（NaCl、CaCl₂、混合系）における脱塩効率とAC表面化学の関係を提示するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 炭素-水界面に酸性および塩基性官能基を組み込んだ両性ドナントモデルを構築する。
• 表面複合定数理論を用いて、AC表面に存在する酸素含有官能基のプロトン化および脱プロトン化平衡を記述する。
• ACの電子伝導性をモデルに統合し、マイクロポーレス内での電荷移動およびイオン電気脱離を可能にする。
• 適用電圧下でのEDL構造を記述するため、境界条件を修正したポアソン＝ボルツマン方程式を解く。
• NaCl、CaCl₂、および混合電解質溶液におけるイオン吸着等温線の実験データと照合してモデルをキャリブレーションする。
• EDL自由エネルギー式に特定の相互作用を組み込むことで、イオン価数およびサイズ効果を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部の恣意的「引力項」に依存せずに、活性化炭素マイクロポーレスにおける電気二重層（EDL）構造をどのようにモデル化できるか？
• RQ2 両性表面官能基（酸性および塩基性）が、電荷のないおよび帯電した活性化炭素電極におけるイオン電気脱離に果たす役割は何か？
• RQ3 具体的にカルボキシル酸含有量が、AC表面化学にどのように影響を与え、CDIにおけるイオン吸着および脱塩性能に及ぼすか？
• RQ4 両性ドナントモデルは、CaCl₂のような多価イオン電解質および混合塩系におけるイオン吸着を定量的に記述できるか？
• RQ5 活性化および電極調製パrameterに基づいて、モデルがCDI性能をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 両性ドナントモデルは、外部塩濃度および印加電圧のさまざまな条件下で、NaCl、CaCl₂、および混合塩系におけるイオン電気脱離を正確に記述している。
• モデルは、基平面のプロトン化（塩基性）およびカルボキシル基（酸性性）に起因する、電荷のない活性化炭素電極における異常な塩吸着を成功裏に捉えている。
• 多価イオン相互作用を適切に組み込んだため、CaCl₂溶液におけるイオン吸着は、古典的ドナントモデルよりも両性モデルによってより正確に予測できる。
• モデルは、表面電荷分布およびプロトン化平衡がマイクロポーレスACにおけるEDL構造およびイオン選択性に顕著に影響することを明らかにした。
• CDIにおける電極性能はカルボキシル酸含有量と直接関連しており、活性化および調製プロトコルによって調整可能である。
• 電子伝導性をモデルに組み込むことで、実用的CDIシステムにおける電荷移動およびイオン吸着を一貫して記述できるようになった。