[논문 리뷰] Activated carbon is an electron-conducting amphoteric ion adsorbent

P. M. Biesheuvel|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 21.

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors참고 문헌 2인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 활성탄(AC) 전극에서 이온 전기흡착을 설명하기 위해 탄소-물 인터페이스에 산성(예: 카복실기) 및 염기성(질소가 침착된 기저면) 기능기를 모두 포함한 양성 전하 도나안 모델을 제안한다. 경험적 '흡인 항목'을 화학적으로 정보화된 표면 화학으로 대체함으로써, 이온 흡착 예측이 전기화학적 탈염(CDI) 시스템에서 다양한 전압과 전해질 농도 조건에서 NaCl, CaCl₂ 및 혼합 용액에서 정확하게 이루어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이オン 전기흡착에 대해 경험적 '흡인 항목'에 의존하지 않고도 활성탄 미세공 내 전기이중층(EDL) 구조를 물리적으로 정확하게 기술할 수 있는 모델을 개발하는 것.
• 특히 산성 카복실기와 염기성 질소가 침착된 기저면이 전하가 없는 및 전하가 있는 활성탄 전극에서 이온 흡착을 어떻게 지배하는지 이해하는 것.
• 예측 가능한 EDL 모델을 통해 전기화학적 탈염(CDI)에서 전극 성능을 활성화 및 제조 조건과 연결하는 것.
• 다양한 전해질 시스템(NaCl, CaCl₂, 혼합물)에서 활성탄 표면 화학과 탈염 효율 간의 관계를 설명하는 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 탄소-물 인터페이스에 산성 및 염기성 기능기를 모두 포함한 양성 전하 도나안 모델을 개발한다.
• 표면 복합체 형성 이론을 사용하여 활성탄 표면의 산소 기능기를 포함한 기능기의 탈질소 및 탈수소 평형을 기술한다.
• 활성탄의 전자 전도성을 모델에 통합하여 미세공 내 전하 이동 및 이온 전기흡착을 가능하게 한다.
• 적용된 전압 하에서 EDL 구조를 기술하기 위해 경계 조건을 수정한 포isson-볼츠만 방정식을 해결한다.
• NaCl, CaCl₂ 및 혼합 전해질 용액에서의 이온 흡착 Isotherm에 대한 실험 데이터를 기반으로 모델을 校정한다.
• EDL 자유 에너지 표현식에 특정 상호작용을 포함시켜 이온 밸런스 및 크기 효과를 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 경험적 '흡인 항목'에 의존하지 않고 활성탄 미세공 내 전기이중층(EDL) 구조를 모델링할 수 있는가?
• RQ2 양성 표면 기능기(산성 및 염기성)가 전하가 없는 및 전하가 있는 활성탄 전극에서 이온 전기흡착에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 특히 카복실산 농도가 활성탄 표면 화학에 영향을 주어 CDI에서 이온 흡착 및 탈염 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 양성 도나안 모델이 다가치 전해질(CaCl₂) 및 혼합 염소 시스템에서 이온 흡착을 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ5 활성화 및 전극 제조 파rameter에 기반하여 모델이 CDI 성능을 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 양성 도나안 모델은 외부 전해질 농도와 적용 전압의 범위에서 NaCl, CaCl₂ 및 혼합 염소 용액에서 이온 전기흡착을 정확하게 기술한다.
• 표면 염기성(기저면의 질소 침착)과 산성(카복실기)을 고려함으로써, 전하가 없는 활성탄 전극에서의 이례적인 염소 흡착을 성공적으로 기술한다.
• 다가치 이온 상호작용을 적절히 포함함으로써, CaCl₂ 용액에서의 이온 흡착 예측이 고전적 도나안 모델보다 양성 모델에 의해 더 정확하게 이루어진다.
• 모델은 표면 전하 분포 및 탈질소 평형이 미세공 활성탄 내 EDL 구조 및 이온 선택성에 크게 영향을 준다는 것을 드러낸다.
• CDI에서 전극 성능은 카복실산 농도와 직접적으로 연관되어 있으며, 이는 활성화 및 제조 프로토콜을 조절하여 조절 가능하다.
• 모델에 전자 전도성을 포함시킴으로써 실용적인 CDI 시스템 내 전하 이동 및 이온 흡착을 일관되게 기술할 수 있게 되었다.