Угольный электрод: Страница не найдена | Всё о сварке

My Science Perks получают не менее $ 0,04 обратно на этот предмет. Войдите или создайте Бесплатный HST Аккаунт, чтобы начать зарабатывать сегодня

ОПИСАНИЕ

Эти угольные стержни могут использоваться в качестве электродов или для исследования статического электричества.

ПРИМЕЧАНИЕ. Фактический продукт может отличаться от представленного на фотографии из-за различий в поставщиках.

БЛОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

ВКЛАДКА «СОДЕРЖАНИЕ»

ВКЛАДКА «ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ»

Описание

Технические характеристики

СОДЕРЖАНИЕ

Мы хотим, чтобы этот предмет был живым, когда вы его получите! Следовательно, нам необходимо знать, когда вы будете дома, чтобы получить его (минимизируя воздействие стихии).Укажите дату доставки, среда — Пятница, это минимум 7 дней с сегодняшнего дня.

Физика и инженерия / Электричество и электроника / Статическое электричество

/ физика-инженерия /, / физика-инженерия / электричество-электроника /, / физика-инженерия / электричество-электроника / электроды-статическое электричество /

Мы поняли. Наука может быть беспорядочной. Но продукты и услуги Home Science Tools справятся с этим.

Наша продукция долговечна, надежна и доступна по цене, позволяя вам перемещаться из полевых условий в лабораторию и на кухню. Они не подведут, с чем бы они ни боролись. Будь то (чрезмерно) нетерпеливые молодые ученые из года в год или строгие требования, которые возникают раз в жизни.

И если ваш научный запрос идет не так, как ожидалось, вы можете рассчитывать на помощь нашей службы поддержки клиентов. Рассчитывайте на дружеские голоса на другом конце телефона и советы экспертов в вашем почтовом ящике.Они не будут счастливы, пока вы не станете счастливыми.

Итог? Мы гарантируем, что наши продукты и услуги не испортят ваше научное исследование, каким бы беспорядочным оно ни было.

Вопросы? Свяжитесь с нашей службой поддержки клиентов.

— Обзор — Конструкция электрода с активированным углем: инженерный компромисс в отношении характеристик емкостной деионизации

Технология опреснения считается важным средством неограниченного снабжения пресной водой путем производства питьевой воды из морских и солоноватых источников. ^1,2 Интересно, что поставка опресненной воды не зависит от климатических условий. ³ В целом опреснение является высокоэнергетической технологией. Нехватка воды и энергии — две основные проблемы 21 века. ⁴ Тем не менее, инновации могут позволить нам производить пресную воду с меньшими затратами, в то же время улучшая использование энергии. Разработано несколько технологий термического и мембранного опреснения. ⁵ На сегодняшний день обратный осмос (RO), многоступенчатая дистилляция (MED), многоступенчатое мгновенное опреснение (MSF) и электродиализ (ED) широко используются для опреснения морской и солоноватой воды в больших масштабах.В отличие от электродиализа (ED), другие технологии работают за счет удаления основного компонента (воды), а не второстепенного (соли или минералы), поэтому они становятся менее эффективными для опреснения солоноватой воды из-за низкой концентрации соли. ⁶

Емкостная деионизация (CDI) — это новая технология опреснения, позволяющая извлекать соли и минералы из соленой воды таким образом, чтобы потребленные заряды во время зарядки электрода могли быть повторно захвачены во время разряда электрода, ⁷ , тем самым позволяя CDI быть энергией. эффективная и менее дорогостоящая альтернативная технология опреснения соленой воды по сравнению с другими традиционными технологиями опреснения.Действительно, возврат части энергии был одним из ключевых аспектов технологии CDI. ⁸ Концепция CDI может быть описана как процесс электросорбции, который в основном может быть объяснен на основе характеристик конденсатора с двойным электрическим слоем. Подобно суперконденсаторам, ионы обратимо накапливаются в двойном электрическом слое (EDL) в углеродных порах в CDI. ^9–11 Эта инновационная технология опреснения обладает рядом преимуществ, включая легкое удаление второстепенных продуктов из основного продукта за счет емкостного эффекта и фарадеевского взаимодействия при низком напряжении ячейки. ^9,12 Кроме того, у него есть другие приятные атрибуты, такие как энергосбережение, экологичность, ¹³ простота конфигурации и низкие эксплуатационные расходы. ¹⁴ В основном, производительность CDI в значительной степени зависит от электрода, но также и от конфигурации ячейки и рабочих параметров. ^12,15 Таким образом, повышение производительности может быть исследовано путем изготовления идеальных электродов, оптимизации рабочих параметров, разработки надежных конфигураций CDI и / или интеграции CDI с другими технологиями опреснения.

По статистике, публикации в области исследований CDI по большей части посвящены решающей роли электрода по сравнению с другими факторами, влияющими на характеристики CDI. ¹⁵ Другими словами, на электрод приходится львиная доля факторов, влияющих на работу систем CDI. Активированный уголь (AC) широко известен как первый и наиболее часто используемый материал для емкостных технологий. ^11,16 Большая площадь поверхности, электропроводность, химическая стабильность в широком электрохимическом окне, инертность, легко настраиваемая морфология пор и благоприятная изотерма адсорбции — все это указывает на то, что переменный ток является идеальным кандидатом для электродов CDI. ^4,17,18 Кроме того, AC является экологически чистым материалом и коммерчески доступен по относительно низкой цене. ¹⁹ Электрод CDI с идеальными емкостными характеристиками должен обладать большой удельной поверхностью, высокой проводимостью, хорошей смачиваемостью, химической стабильностью и соответствующей пористостью. ^{12–14,20–22} Однако было показано, что переменный ток имеет более низкую удельную емкость, чем ожидаемое теоретическое значение. ²¹ Следовательно, его всегда необходимо модифицировать и конструировать с использованием различных модификаторов (проводящих добавок, связующих, восстановителей, окислителей, псевдоемкостных материалов, оксидов металлов, поверхностно-активных веществ, полимеров и т. Д.) для повышения производительности. По сути, рациональная конструкция электрода переменного тока имеет первостепенное значение для оптимальной работы CDI. ²³ Конструкция электродов переменного тока стала чуть ли не Святым Граалем исследований в области технологии CDI. Сообщалось о различных физических, химических и биологических методах модификации AC, ²⁴ , показывающих различные улучшения электрохимических характеристик. Однако большинство этих улучшений происходит за счет ухудшения некоторых свойств электродов.

В последнее время было опубликовано несколько обзоров, касающихся электродных материалов CDI. Oladunni et al., ¹⁵ Liu et al., ¹⁷ Huang et al. ²⁵ и Thamilselvan et al. ²⁶ представил всесторонний обзор недавно разработанных углеродных нанокомпозитов для применения в процессе емкостной деионизации. Bhatnagar et al. ²⁴ сообщил об обзоре методов модификации переменного тока для обработки воды. Han et al. ¹² рассмотрены структура и функциональность новых углеродных и фарадеевских электродных материалов для высокоэффективной емкостной деионизации.Кроме того, Ratajczak et al. представил обзор емкостных технологий на основе углеродных материалов. ¹¹

В этом обзоре влияние модификаторов на производительность CDI очерчено в контексте инженерного компромисса. Обсуждаются полезные и вредные эффекты различных модификаторов на электрохимическую активность переменного тока, как показано на рис. 1. По сути, представлена ​​всеобъемлющая классификация ячеек CDI, основанная на различных архитектурных аспектах со сравнительными характеристиками.Кроме того, выяснена взаимозависимость между электродными аспектами и конфигурацией ячейки CDI. Наконец, краткий обзор разработки конструкции электродов переменного тока был резюмирован с некоторыми перспективными руководящими принципами исследований. Цель нашего обзора здесь — раскрыть влияние конструкции электродов переменного тока на характеристики CDI и как сбалансировать компромисс между свойствами электродов в процессе модификации. Это также вводит взаимозависимость между аспектами электродов и конфигурацией ячейки CDI.Зная это, он дает представление об аспектах модификации электродов без ущерба для электрохимических показателей производительности. Кроме того, взаимозависимость электрода и ячейки CDI проливает свет на рациональную конструкцию, чтобы воспользоваться преимуществами модификации электродов при соответствующей конфигурации ячейки CDI.

Улучшение структуры

Структурные свойства электрода включают площадь поверхности, пористость (структура пор, распределение пор по размерам и извилистость) и текстуру.Накопительная емкость (заряд и накопление ионов) и кинетика сильно зависят от доступной площади поверхности и пористости электрода. ²⁷ Таким образом, CDI как межфазный процесс очень чувствителен к имеющейся поверхности и пористости электродного материала. Емкостное накопление ионов и кинетика электросорбции в матрице могут быть улучшены за счет физической и / или химической модификации электрода. Действительно, площадь поверхности и распределение пор по размерам играют решающую роль в конструкции углеродного электрода.Чтобы оптимизировать емкостные характеристики, много усилий было сосредоточено на увеличении площади поверхности, а также на контроле над размером пор. ²⁸ Lee et al. комбинированный AC с ограниченным количеством функционализированных углеродных нанотрубок (FCNT), при этом гомогенная дисперсия увеличивала удельную поверхность (SSA) электрода. ²⁹ В некотором смысле добавление FCNT предотвращает возникновение агломерации частиц и закупорку пор.

Физическая активация может расширять поры за счет мягкой газификации и увеличивать площадь поверхности по мере создания большего количества пор. ^30,31 Интересно, что AC, который намеренно дефункциональнализован посредством обработки водородом, демонстрирует увеличенный SSA, объем пор и средний размер пор, вызванный одновременным схлопыванием микропор и созданием большего количества мезопор, тем самым улучшая характеристики CDI. ³² Villar et al. подвергали переменному току водородной обработке для получения электродного материала с высокой кажущейся SSA. Увеличение поверхности при обработке переменным током H ₂ при 400 ° C и увеличение среднего диаметра пор привело к более высокой зарядовой емкости. ³³ В этом отношении изменение расположения пор и распределения по размерам может привести к подходящей структуре пор для переноса солевых ионов. Многие исследователи выяснили важность стратегического развития мезопористых и микропористых структур, которые могут способствовать оптимальной электросорбции. Действительно, электрохимическая характеристика показывает различное емкостное поведение из-за различного соотношения мезопор и микропор. KOH и CO ₂ предназначены для увеличения регулируемого соотношения микропор и мезопор в AC соответственно. ³⁴

Кроме того, рациональная конструкция структуры переменного тока может улучшить как электросорбцию, так и накопление ионов. ^35,36 Несколько исследователей сообщили о роли микропор, мезопор и макропор в работе электродов. Микропоры увеличивают SSA и накопление заряда, что приводит к высокой удельной емкости. Мезопоры увеличивают ионную проводимость, обеспечивая благоприятный и быстрый перенос ионов в матрице электрода, что улучшает кинетику электросорбции.Макропоры действуют как буферные резервуары для ионов. ^19,37 Следовательно, разработка упорядоченных углеродных электродов с контролируемым количеством мезопористых и микропор является важной стратегией для оптимизации электродов. Большой SSA и укороченные пути для диффузии ионов были приписаны трехмерным (3D) мезоструктурам и хорошо взаимосвязанным диффузионным путям материала электродов. Действительно, структура пор (упорядоченная или случайная) и распределение пор по размерам (мезопоры и микропоры) имеют большое влияние на характеристики электрода. ³⁸ Тем не менее, некоторые из них оправданы, поскольку преобладание микропор и сильная извилистость пор могут ограничивать характеристики CDI. Распределение переменного тока с широкими порами может вызвать серьезное снижение емкости в течение короткого времени утечки тока. ^39,40 Несколько композитов на основе AC, включая: восстановленный графен с AC (RG-AC), AC с оксидами металлов (AC-MO), AC с углеродными нанотрубками (AC-CNTS), AC с металлорганическими каркасами (AC -MOFs), мезопористый углерод с углеродными нанотрубками (MC-CNT), композит мезопористого с микропористыми AC (CAs-AC) и AC с углеродными нановолокнами (AC-CNFs) ^17,39,41 . структура межсоединений в матрице электрода.Например, Wouters et al. использовали оксиды металлов для модификации углеродного материала для удаления ионов. Углеродный материал с SSA намного ниже, чем у покрывающих ксерогелей оксидов металлов, показал увеличение SSA всего композита. Напротив, снижение SSA наблюдалось, когда ткань из активированного угля с высоким SSA покрыта ксерогелями из оксидов металлов. ⁴² Что касается влияния покрытий из оксидов металлов на углеродные материалы, SSA композитов зависит от природы углеродных материалов.Кроме того, Риу и Сео сообщили о тетраэдрической координации диоксида титана, диспергированного на поверхности ткани переменного тока, для настройки структуры поверхности наряду с уменьшением физической адсорбции, тем самым вызывая усиленную адсорбцию электрического поля. Модификация химического состава поверхности обеспечивает более доступную поверхность с увеличенным количеством адсорбционных центров за счет участия атомов титана. ⁴³

Song et al. сообщили о новом композитном электроде путем ультразвуковой сборки переменного тока с взаимосвязанной графеновой сетью (ICGN) для приложения CDI.Изготовленный электрод (AC / mPEAG) показал сверхвысокую электросорбционную способность 12,58 мг / г ^-1 по сравнению с 5,31 мг / г ^-1 исходного электрода переменного тока. Интеркаляция включенного mPEAG генерирует макропоры, которые благоприятны для буферизации ионов, тем самым сокращая расстояние диффузии от границы раздела до матрицы, тогда как мезопоры облегчают перенос ионов и электросорбцию. ¹⁹ Извилистость электродов переменного тока может значительно повлиять на скорость ионной проводимости через электролит в электродной матрице.По сути, извилистость — это соотношение, которое характеризует извилистые пути диффузии жидкости и электропроводности в пористой среде. Здесь он описывает отношение микроскопической длины пути в порах, нормированное на декартово расстояние прохождения ионов между конечными точками пути. ⁴⁴ Таким образом, он влияет на динамику заряда электрода посредством эффективной ионной проводимости и ионной диффузии. ^44–46 Добавление макроскопических пор с низкой извилистостью увеличило ионную проводимость и улучшенную емкость при высоких скоростях развертки, а также макроскопические поры уменьшили эффективную извилистость, обеспечивая более прямые пути к емкостным интерфейсам. ⁴⁵ Tang et al. разработала углеродный материал с преобладанием макропор и микропор (HPAC) для суперконденсаторов и электродов CDI. ⁴ HPAC показал хорошо распределенные макропоры, которые могут обеспечивать буферные резервуары для ионов и мелких частиц, которые могут обеспечивать большую площадь внешней поверхности. Размер макропор и распределение размеров HPAC были меньше и плотнее, чем AC и MC. Кроме того, интрузионная порометрия выявила самый высокий средний диаметр пор (353,2 нм) HPAC по сравнению с AC (33.3 нм). Высокая емкость и адсорбционная способность HPAC обычно приписываются соседним стенкам пор (большой SSA), большому объему пор для искаженных ионов и структуре пор, которая вызывает короткий путь переноса ионов для более быстрой диффузии.

Кроме того, связующее влияет на распределение пор углеродных материалов по размерам. Использование различных связующих приводит к малой или большой пористости с большей доступной пористостью в мезопористой области. Се и его коллеги применили органически-неорганическое гибридное связующее для улучшения характеристик CDI. ⁴⁷ Предполагалось, что гибридное связующее улучшает структуру пор. Однако связующие могут блокировать поры в высокопористом угле. Кроме того, сообщалось, что некоторые гидрофильные связующие, обладающие способностью к набуханию, изменяют контакт частиц и, следовательно, изменяют пористость. ⁴⁸ Таким образом, конструкция электродов без связующего дает прекрасную возможность решить дилемму использования связующего. Кроме того, инертные газы (N ₂ и Ar) играют решающую роль в пиролизе, где они предотвращают закрытие пор, их разрушение или усадку. ⁴⁹ Графитизация легко происходит в атмосфере инертного газа с одновременным уменьшением извилистости. Кроме того, пиролиз в атмосфере инертного газа может увеличить испарение соединений, непригодных для образования пор.

Смачиваемость

Чем влажнее, тем лучше. ⁵⁰ Смачиваемость — один из важных факторов, который может повлиять на характеристики электрода. ⁵¹ Электроды CDI требуют высокой смачиваемости для их совместимости с водными средами. Действительно, лучшее смачивание электродного материала обеспечивает отличный межфазный контакт и массоперенос.Поверхность AC очень гидрофобна, поэтому плохо взаимодействует с водой. ⁵² Хотя переменный ток имеет отличную SSA, удельная емкость намного ниже ожидаемой. ⁵³ Низкая емкость частично объясняется плохой смачиваемостью, которая приводит к неблагоприятному контакту между поверхностью электрода и водным раствором; таким образом ионы в растворе не достигают внутренней части активного материала. Chang et al. синтезировали гидрофильное жидкое связующее для изготовления электродов переменного тока. ⁵⁴ В отличие от других полимерных связующих, это жидкое связующее обеспечивает улучшенную смачиваемость, таким образом демонстрируя превосходные характеристики CDI. Точно так же Парк и Чой изготовили угольные электроды с водорастворимым связующим вместо гидрофобных связующих. ⁵¹ Введение гидрофильных функциональных групп на углеродную поверхность химическими средствами значительно улучшает смачиваемость. Различные функциональные группы азота и кислорода, включая амины, сульфоны, карбоксилаты и карбонилы, могут значительно повысить гидрофильность, сопровождаемую улучшенной смачиваемостью углеродного материала. ⁵⁵ Несколько окислителей, таких как HNO ₃ , H ₂ O ₂ и KMnO4, также были использованы для введения кислородсодержащих групп (гидроксил, карбоксил, карбонил, лактон и хинин) на поверхность угольного электрода. , тем самым улучшая смачиваемость. ^39,56

Fic et al. изучили влияние ПАВ на емкостные свойства углеродного электрода. ⁵⁷ Значительное улучшение емкости было приписано уменьшению поверхностного натяжения и усилению распространения заряда.Электрод с повышенной смачиваемостью обеспечивает большую полезную поверхность и снижает внутреннее сопротивление, что оказывает положительное влияние на электрохимические характеристики водных электролитов. Более того, проникновение электролита в поры электрода контролируется не только структурой пор, но и поверхностным натяжением. ⁵⁸ AC был модифицирован поверхностно-активным олеатом натрия для улучшения удельной емкости и накопления энергии в двойном электрохимическом слое (EDL). Повышение емкости в основном объясняется улучшением смачиваемости углеродного материала, что обеспечивает высокую полезную площадь поверхности и низкое внутреннее сопротивление.Несомненно, поверхностно-активные вещества могут значительно улучшить емкость электрода за счет своей способности снижать поверхностное натяжение. ⁵⁹ Кроме того, Аслан и соавторы ⁶⁰ представили новую стратегию использования улучшенной пористости без ущерба для способности удаления соли CDI и эффективности ввиду ограниченного смачивания AC в водной среде. Также было показано, что смешивание гидрофобных и гидрофильных углеродов улучшает смачивание. Эти электроды из смешанного углерода показали высокую степень съема и хорошую эффективность заряда.Покрытия из оксидов металлов также могут увеличивать смачиваемость гидрофобных материалов из-за их гидрофильной природы. ⁴² SiO ₂ и γ -Al ₂ O ₃ / γ -AlOOH были использованы для модификации углеродного материала для применения CDI. Угольный электрод с покрытием демонстрировал повышенное удаление ионов по сравнению с углеродом без покрытия. Более того, гибридизация углеродсодержащего материала с закреплением неорганических материалов, таких как ZnO, SnO ₂ , ZrO ₂ и TiO ₂ , в последнее время привлекла внимание с целью преодоления некоторых недостатков AC в процессе CDI. ⁶¹ Композит переменного тока с азотом и TiO ₂ / ZrO ₂ был синтезирован с целью улучшения низкой емкости и смачиваемости переменного тока. ²³ В то время как электрод с покрытием TiO ₂ и чистый углеродный электрод показали одинаковую удельную емкость, система TiO ₂ , вероятно, улучшила эффективность опреснения из-за увеличения переноса ионов и воды в пористую структуру более гидрофильной поверхности. ⁶²

Электрическая и ионная проводимость

Электропроводность определяет кинетику электрохимического процесса в электроде.Улучшая кинетику, можно улучшить скорость удаления солей и можно уменьшить размер CDI и / или повысить производительность. ⁶³ Хотя текстурные особенности напрямую влияют на электрохимические характеристики угольного электрода, необходимо учитывать дополнительную роль проводимости. Увеличение проводимости улучшает кинетику, тем самым увеличивая электросорбционную способность, эффективное удаление солей и снижение внутреннего сопротивления. AC не является твердым веществом и заполнен миллионами микрокарманов (микроскопических отверстий и пор), которые делают его одним из самых пористых материалов из известных.Эти микрокарманы, заполненные воздухом, значительно снижают способность переменного тока проводить электричество. Кроме того, пористая природа переменного тока может напрямую влиять на перенос ионов, а также электронов, вызывая медленное удаление ионов и потерю проводимости. ³⁷

Чтобы преобразовать аморфную структуру углерода в графитовую структуру, AC подвергают пиролизу для получения углерода с более упорядоченной матрицей, связанной с высокой электропроводностью. В основном термическая обработка влияет на концевые части, содержащие кислород и водород, которые составляют каркас материалов.Однако последовательное увеличение графитовых доменов возможно только при температуре выше 2000 ° C в инертной атмосфере. ⁶⁴ Природа переноса электронов всегда пропорциональна степени кристалличности углеродных материалов. ⁶⁵ Ши и его коллеги улучшили проводимость переменного тока и создали графитоподобный переменный ток путем каталитической графитизации с использованием плазмы N ₂ и загрузки железа. N _{2 легирование} улучшает доступность поверхности AC, в то время как загрузка железа (III) способствует упорядоченному расположению зерен, таким образом увеличивая объемную долю кристаллов обработанного AC. ⁶⁴ Sánchez et al. сообщили об улучшении электрохимических характеристик углеродного электрода после термообработки до 900 ° C, что в основном связано с одновременным увеличением проводимости. ⁶⁶ Кроме того, графитизация — это термодинамический процесс, который может преобразовывать аморфный углерод в хорошо упорядоченную трехмерную графитовую структуру. ⁶⁷

Кроме того, для повышения проводимости электродов переменного тока широко используются различные добавки, такие как технический углерод, FCNT, графен и металлы. ^63,68 Alencherry et al. исследовали влияние увеличения электропроводности углеродных композитов на характеристики CDI за счет включения серебра (Ag) и FCNT в порошковый AC. Пропитка серебром привела к повышенной электропроводности электрода, обусловленной подходящей передачей заряда между частицами между частицами переменного тока. Кроме того, пропитка серебром снижает объемное удельное сопротивление, что приводит к увеличению накопления заряда, тем самым обеспечивая более высокие электродные потенциалы на границе раздела электрод-электролит. ⁶³ Кроме того, Wang et al. разработали трехмерный композит, загрузив переменный ток в каркас из графитового войлока с высокой проводимостью для повышения электронной проводимости. ⁶⁹

Использование суспензионных электродов стало недавним дополнением к миру CDI. Однако неплотное соединение углеродных частиц в проточном электроде может привести к плохой проводимости, что может снизить производительность CDI. С другой стороны, улучшение связности за счет высокой массовой доли углерода в суспензии может привести к увеличению вязкости, что ограничивает текучесть.Cho et al. В электроды переменного тока были введены FCNT, которые создают проводящие мостики между частицами переменного тока, тем самым увеличивая удаление солей без необходимости использования высоконагруженных активных материалов. ⁷⁰ Аналогичным образом Lee et al. использовали FCNT в качестве проводящих агентов электрода CDI. Снижение удельного сопротивления в функционализированном переменном токе было приписано необычайной электропроводности FCNT с их углеродной структурой sp ² . ²⁹

Исмагилов и др. ⁷¹ и Hulicova-Jurcakova et al. ⁷² сообщили об увеличении электропроводности, генерируемой богатым электронами азотом, введенным в углеродную сеть, что может перемещать больше электронов в делокализованную π -систему. Кроме того, легирующие примеси азота вместе с наведенными пустотами или дефектами обеспечивают отличную проводимость и пути переноса, тем самым способствуя эффективному распространению электронов и ионов в пористый электрод. ⁷³ Более того, было приписано, что некоторые неионные соединения создают ионные каналы, которые могут облегчить перенос ионов на границе электрод-электролит, а также распространение заряда. ⁷⁴ Молекулы могут самоорганизовываться в структуры ионного пути, тем самым обеспечивая лучшее распространение заряда при самоорганизации электрода с поверхностным агентом. Влияние этих ионных каналов существенно для переноса ионов между границей раздела и мезопорами. При исследовании влияния поверхностно-активных веществ на емкость Fic et al. сообщили о влиянии поверхностно-активных веществ (Triton ^® X-100) на диффузию в процессе накопления заряда за счет более быстрого и стабильного распространения заряда.Кроме того, взаимодействие между гидрофобной структурой поверхностно-активных веществ и π электронов углеродной матрицы может привести к улучшению проводимости системы. ⁵⁷

Поверхностный заряд и потенциал смещения нулевого заряда

Поверхностный заряд и потенциал нулевого заряда являются очень важными свойствами угольных электродов для применения CDI. ⁷⁵ Недавние открытия показали, что высокое удаление солей в ячейке CDI требует надлежащего управления поверхностным зарядом на угольных электродах.В основном AC имеет инертную поверхность и очень благоприятен для неионных взаимодействий с органическими соединениями. Тем не менее, накопление заряда на поверхности переменного тока может способствовать адсорбции ионных соединений посредством ионного взаимодействия. Путем химической модификации чистый положительный или отрицательный поверхностный заряд может быть передан на электрод переменного тока, что может быть многообещающим решением для повышения стабильности работы. Gao et al. использовали угольные электроды с различным поверхностным зарядом для разработки новой конфигурации ячейки CDI, названной инвертированной емкостной деионизацией (i-CDI).В этой конфигурации ячейки химические заряды на поверхности электрода обеспечивают адсорбцию, когда ячейка закорочена. ⁷⁶ Промышленные угольные электроды, обработанные растворами этилендиамина и азотной кислоты, создают как положительные, так и отрицательные химические заряды на поверхности электрода. Улучшенное удаление солей в ячейке i-CDI было частично связано с увеличением химического поверхностного заряда. ⁷⁵ AC был функционализирован поверхностно-активным веществом из четвертичных аминов (CTAB), которое создавало положительно заряженную поверхность для удаления нитратов без приложения внешнего потенциала. ⁷⁷ Более того, Wang et al. исследовали влияние поверхностного потенциала на емкостные характеристики при зарядке протонами и, в частности, адсорбированными ионами. ^78,79 Тот факт, что поверхностный потенциал может быть изменен кристаллической фазой оксидного материала, был дополнительно доказан. ⁸⁰

Процесс CDI при переменной поляризации также показал интересное влияние поверхностного заряда на удаление соли. При равном образовании положительно и отрицательно заряженных участков поверхности во время чередующейся поляризации электронные заряды более эффективно способствуют адсорбции ионов, что приводит к высокому значению адсорбции.В случае дисбаланса поверхностных зарядов на электроде, часть электронного заряда паразитно расходуется на выравнивание дисбаланса поверхностных зарядов. Следовательно, управление поверхностным зарядом на угольных электродах было многообещающим путем для уменьшения потери электронного заряда из-за дисбаланса заряда. ⁸¹ Кроме того, введение поверхностного заряда на электрод может минимизировать эффект отталкивания коионов. Композит нафион-АС проявлял индуцированное ионное отталкивание, тем самым ослабляя коионный эффект. ⁸ Кроме того, совпадение внешнего приложенного потенциала с поверхностным зарядом электрода способствует электросорбции. ⁴² Другими словами, поверхностный заряд на электроде CDI обеспечивает улучшенную адсорбцию и быструю регенерацию противоположно заряженных ионов. По сути, катионы и анионы обычно переходят на электрод с отрицательным и положительным потенциалами соответственно. Во время регенерации эта тенденция может вызвать неполную регенерацию электрода CDI.Следовательно, для решения этой проблемы можно использовать противоположный поверхностный заряд, предотвращая переход ионов от одного электрода к другому. ^42,82

Расположение потенциала нулевого заряда (E _PZC ) над окном рабочего напряжения играет важную роль в электросорбции. ^83,84 Этот потенциал можно определить как переходную стадию поверхностного заряда. Другими словами, в E _PZC, начинается одновременная адсорбция катионов и десорбция анионов, когда приложенный потенциал отрицательно проходит через E _PZC и наоборот. ⁸⁵ Электрод E _PZC может сильно влиять на удаление солей, эффективность заряда и циклическую стабильность в CDI. ⁸⁶ Рабочее окно напряжения регулируется разностью потенциалов между E _PZC анода и E _PZC катода. Это распределение E _PZC играет важную роль в производительности CDI. Кроме того, состояние адсорбции электрода CDI можно предсказать на основании значения E _PZC и потенциала электрода (E). ⁸⁷ Одно и то же значение E _PZC и E подразумевает минимальный суммарный ионный заряд на электроде. Когда E больше, чем E _{, адсорбция анионов PZC} предпочтительна, тогда как более высокое значение E _PZC адсорбируется, чем катионы E. ⁸⁸ Другими словами, наименьшая адсорбция ионов приходится на область E _PZC . Из-за модификации поверхности положительно или отрицательно заряженные функциональные группы могут перемещать E _PZC в электроде переменного тока. Кислотную обработку, оксид металла ⁸⁹ , ⁹⁰ и сульфирование ⁹¹ использовали для положительного сдвига E _PZC в результате введения отрицательно заряженных частиц.Кватернизованный поли (4-винилпиридин), ⁸⁶ аминов ⁹² могут вводить положительно заряженные группы и отрицательно сдвигать E _PZC катода. Несбалансированное распределение приложенного потенциала из-за постепенного окисления анода может привести к явлению инверсии, при котором десорбция коионов становится доминирующей во время зарядки и повторной адсорбцией при разрядке. ⁸⁵

Имеется зависимость характеристик CDI от смещения угольных электродов E _PZC при длительной эксплуатации.После продолжительного цикла происходит смещение E _PZC , а положительное смещение E _PZC происходит из-за медленного окисления анода. ^83,85 Развитие окисления положительного электрода может защитить область рабочего потенциала. Для симметричной ячейки CDI, работающей при постоянном напряжении, адсорбция ионов становится эффективной, когда пара электродов обладает чистым поверхностным зарядом, равным нулю. Коэн и соавторы использовали контролируемое окисление электродов переменного тока в растворе HNO ₃ для положительного сдвига E _PZC с целью развития более широкой области потенциала. ⁹³ Анод с положительным поверхностным зарядом в паре с катодом с отрицательным зарядом может усилить и расширить эффект напряжения CDI. Более того, промышленные углеродные электроды периодически окислялись, чтобы увеличить отрицательный поверхностный заряд, тем самым создавая пару электродов с разными значениями E _PZC при коротком замыкании (E _o ). ^76,92 Gao и соавторы сообщили о более благоприятной адсорбции Cl ^— на аноде по сравнению с адсорбцией Na ⁺ на катоде, что может ограничивать характеристики CDI.Для создания отрицательного заряда углеродный электрод модифицировали путем покрытия SiO ₂ и поверхностными группами –COOH от окисления. Эти модификации были использованы для корректировки расположения E _PZC на катоде, что привело к усилению адсорбции Na ⁺ и уменьшению отталкивания коионов. ⁸³

Стабильность

Циклическая стабильность — это отношение емкости в n-м цикле к максимальной способности удаления ионов, ⁹⁴ , и это важный фактор при оценке долговечности электрода для поддержания его максимальной производительности.Высокая стабильность считается одним из основных свойств идеального электрода. Естественно, электроды переменного тока демонстрируют затухание деионизации, вызванное потерей цикличности после нескольких циклов. Значительные усилия, направленные на уменьшение химической деградации электродов CDI, привлекли значительное внимание сообщества CDI. Разработка электродов CDI с минимальным химическим разрушением очень важна для увеличения срока службы. Коррозия анода в ячейках CDI является серьезной проблемой, которая вызывает плохую стабильность цикла во время процесса опреснения. ^9,85 Постепенное окисление анода приводит к несбалансированному распределению приложенного потенциала с одновременным повреждением пор, возникающим из-за образования окислительно-восстановительных продуктов на поверхности углерода.

Кроме того, непрерывная коррозия положительно поляризованного электрода при зарядке приводит к явлению, называемому «эффектом инверсии», который относится к десорбции ионов, пока ячейка все еще поляризована и заряжена. ⁸⁵ Были разработаны различные методы, позволяющие сохранить стабильность во время продолжительной езды на велосипеде.Модификация поверхности (покрытие, окисление / восстановление и легирование) считается эффективной стратегией уменьшения коррозии электродов. Srimuk et al. модифицированный AC с помощью диоксида титана, чтобы предотвратить участие кислорода в окислении углерода. Таким образом, гибрид AC-Titania продемонстрировал повышенную адсорбционную способность солей (SAC) и длительную стабильность при циклировании в насыщенных кислородом солевых средах. ⁹ В реальных условиях атмосферный кислород (21%) радикально влияет на снижение стабильности CDI.Когда кислород диффундирует в воду и вступает в реакцию с углеродным электродом, это приводит к реакции восстановления кислорода с последующим выделением H ₂ O _2, , что вызывает разрушение электродов переменного тока. ⁹⁵ Структура пор и функциональность поверхности также влияют на стабильность. Было показано, что электрод с очень маленьким размером пор и большим количеством кислородных функциональных групп имеет сильно выраженную деградацию при увеличении числа циклов. ⁹⁶ Хотя кислородные функциональные группы улучшают смачиваемость поверхности, переменный ток с высоким содержанием кислородных функциональных групп должен работать при низком напряжении для поддержания стабильности.В качестве альтернативы использование инвертированной конфигурации CDI может решить проблему ограничений окислительно-восстановительной реакции.

Разработка мезоструктурированных углеродных электродов с упорядоченными и хорошо связанными мезоканалами обеспечивает стабильную циклическую смену характеристик CDI. ¹⁰ Активированный уголь, полученный из новолака, был деактивизирован путем обработки водородом. Было показано, что эта обработка увеличивает стабильность электрода, связанную с уменьшением количества карбоксильных групп на поверхности. ³² AC, модифицированный поверхностно-активными веществами, дополнительно сообщалось, что он демонстрирует превосходную стабильность цикла в широком диапазоне потенциалов, и это объясняется ингибированием побочных реакций на поверхности электрода. ^57,97 Кроме того, AC, модифицированный углеродными наноточек (C-точки), показал превосходную циклическую стабильность в течение многих тысяч последовательных циклов с отличным сохранением емкости. Способность C-точек переносить заряд и изменять интерфейс, по-видимому, указывает на то, что AC / C-точки могут быть полезным средством значительного повышения стабильности электрода. ⁹⁸

Инкапсуляция углеродных материалов — это новый подход к созданию более эффективного электрода с повышенной стабильностью.Путем инкапсулирования электрод заделывают в химический субстрат, включающий УНТ или полимеры, для придания селективности или электрохимической стабильности (смягчения разложения электролита на поверхности электрода). Юнг и др. использовали цвиттерионные полимеры для покрытия переменного тока, чтобы обеспечить стойкий барьер для стабилизации структуры электрода. Полимерный слой препятствует реакции между угольным электродом и электролитом. Кроме того, инкапсуляция поверхности переменного тока также может увеличить количество центров ионной адсорбции и площадь поверхности, тем самым улучшая разделение зарядов и эффективность удаления ионов. ⁹⁹ Электроды переменного тока с превосходной электрохимической стабильностью и сверхвысокими характеристиками были синтезированы посредством инкапсуляции ультратонким слоем Al ₂ O ₃ посредством осаждения атомных слоев. Эти замечательные характеристики были приписаны эффекту слоя Al ₂ O ₃ , защищающего кислородные функциональные группы от фарадеевских реакций. Другими словами, эти электроды переменного тока могли быть защищены от нежелательных реакций с электролитом. ¹⁰⁰ Кроме того, Zhao et al. применила стратегию инкапсуляции углерода на основе полианилина (PANI) для повышения удельной емкости сферических композитов на основе серы / крахмала. Улучшенные электрохимические характеристики были приписаны способности инкапсулированного AC (PANI-AC) действовать как амортизатор, а также как барьер для улавливания растворимых промежуточных продуктов во время процесса зарядки-разрядки. ¹⁰¹

Механическая прочность

Чтобы получить превосходную механическую стабильность и межфазную адгезию, связующие вещества являются необходимым компонентом при производстве электродов переменного тока. ⁴⁷ Связующие играют важную роль в связывании активных материалов с проводящими добавками и обеспечении стабильного прикрепления к токосъемнику. Несколько связующих веществ и их производных, в частности поливинилидендифторид (PVDF), политетрафторэтилен (PTFE), поливиниловый спирт (PVA), полиметакриловая кислота (PMAA), сульфоянтарная кислота (SSA) ¹⁰² , широко используются для связывания порошка AC с надлежащая механическая прочность. ПВДФ является наиболее широко используемым связующим благодаря своим выдающимся свойствам, включая высокую механическую прочность и термическую стабильность. ¹⁰³ Asquith et al. изготовили электроды переменного тока с использованием сополимеров сульфированного поли (ариленэфирсульфона) в качестве связующего. Сополимер показал адекватное связывание углеродных частиц с хорошей адгезией углеродной сажи к AC. ¹⁰⁴ Органическое-неорганическое гибридное связующее использовалось при изготовлении прочного электрода переменного тока для высокоэффективного применения CDI. Подготовленный электрод переменного тока приобрел значительные механические свойства с желаемой гибкостью для создания компактного параллельного цилиндрического блока CDI. ⁴⁷ Неорганико-органические связующие поддерживают хорошую термическую стабильность при значительном подавлении растрескивания и хрупкости.

Park et al. использовали связующее на основе поливинилового спирта (ПВС), поперечно сшитое глутаровой кислотой, в качестве нового гидрофильного связующего, которое могло бы обеспечить механическую прочность без ухудшения смачиваемости. ⁵¹ Использование полиуретанового эластомера в качестве нового связующего для электрода переменного тока привело к повышенной гибкости и подавлению образования механических трещин, таким образом решая проблему, связанную с более жестким PVDF. ¹⁰⁵ Связующие на основе фенольной смолы (PR) и эпоксидной смолы (ER) демонстрируют выдающуюся стабильность при высоких температурах и давлении. Жидкое связующее, обозначенное как AA, было синтезировано с азодиизобутиронитрилом и акриловой кислотой для разработки электрода переменного тока в процессе CDI. По сравнению с другими связующими (ПТФЭ, PR и ER) AA показал высочайшую гибкость и долговечность. ⁵⁴ Кроме того, поливинилпирролидон (ПВП), смешанный с поливинилбутиралем (ПВБ), дает композитное связующее с хорошей механической стабильностью и водостойкостью, что делает его более привлекательным для изготовления электродов. ¹⁰⁶ Cai et al. подготовили электрод переменного тока с нафион в качестве связующего. Улучшенная адгезия и механические свойства были приписаны добавке Nafion. ⁸ Кроме того, AC, пропитанный азотом и серосодержащими частицами (дициандиамидом, мочевиной и тиомочевиной) при высокой температуре, привел к повышенной механической прочности. ¹⁰⁷

Псевдоемкостные характеристики

Хотя переменный ток имеет большую SSA, которая отвечает за превосходное накопление заряда на границе раздела, в ходе электрохимического циклирования сырой переменный ток страдает относительно низкой удельной емкостью по сравнению с его теоретической емкостью. ¹⁰⁸ Чтобы увеличить удельную емкость электродов переменного тока, некоторые исследовательские усилия были сосредоточены на псевдоемкостном поведении за счет создания поверхностных функциональных групп с помощью химической обработки ¹⁰⁹ оксид металла (MnO ₂ , RuO ₂ , V ₂ O ₅ , MgO, ZnO и др.) Пропитка ^41,110 и легирование. ^41,111,112 Псевдоемкостный процесс — это обратимая окислительно-восстановительная реакция или процесс интеркаляции, связанный с переносом заряда.Псевдоемкостное накопление заряда достигается за счет обратимых фарадеевских реакций на поверхности электродного материала. ¹¹³ В отличие от электростатического накопления в двойных электрических слоях (EDL), псевдоконденсаторы накапливают заряд за счет обратимых окислительно-восстановительных реакций, которые могут быть немного более медленными. ¹¹⁴ Функциональные возможности, в основном карбоксильные, фенольные и лактоновые группы, могут обеспечить дополнительную емкость за счет псевдоконцентрированного механизма. ^{25 115} MnO ₂ / AC и RuO ₂ / AC композитные электроды со смешанным емкостно-фарадеевским поведением были изготовлены для приложений CDI.Высокие характеристики были приписаны смешанной емкостной функциональности, соответствующей EDL-заряду переменного тока и псевдоемкостной окислительно-восстановительной реакции MnO ₂ или RuO ₂ соответственно. ¹¹⁶ Кроме того, осаждение атомного слоя (ALD) оксида ванадия (V ₂ O ₅ ) на поверхности переменного тока создало композитный электрод с улучшенным накоплением заряда и увеличенной емкостью из-за вклада псевдоемкости. ¹¹⁷

Гетероатомы вызывают больший интерес, поскольку они конкурируют с дорогими псевдоемкостными материалами, такими как RuO ₂ . ¹¹¹ Легирование обеспечивает псевдоемкостный вклад в общую емкость электрода, и, таким образом, углерод, легированный гетероатомами, демонстрирует как емкость двойного электрического слоя (EDLC), так и псевдоемкость. ¹¹⁸ Азот, сера и фосфор являются эффективными гетероатомами для обеспечения псевдемкостной функциональности. ¹¹⁹ Этот псевдочувствительный вклад возникает из-за фарадеевской окислительно-восстановительной реакции электроактивных частиц функциональных групп на поверхности углеродных электродов. ¹²⁰ Процесс карбонизации, который позволяет передавать функциональные гетероатомы, был использован для придания псевдоемкости углеродистому материалу. Перенос исходных гетероатомов или легирования во время карбонизации вызывает в углеродном материале как EDLC, так и псевдоемкость. ¹¹⁸ Хотя легирование гетероатомами снижает SSA за счет эффекта выщелачивания, эти частицы наделяют электронодонорными характеристиками и обеспечивают множество электрохимически активных центров для псевдемкостных реакций, ведущих к увеличению способности аккумулировать ионы независимо от уменьшенного SSA.Для понимания роли окислительно-восстановительных переходов, индуцированных азотом, был синтезирован углеродный электрод, легированный азотом. Карбонизация с одновременным легированием азота при обработке аммонием вызывает замену атомов углерода гетероатомами азота при поддержании постоянного содержания кислорода. ¹²⁰ Окислительно-восстановительный потенциал в ходе окислительно-восстановительных реакций гетероатомов посредством обратимого присоединения / отщепления ионных частиц вызывает псевдоемкость. Следовательно, емкость углерода, содержащего гетероатом, оказывается более высокой по сравнению с углеродом, не содержащим гетероатомов.В каком-то смысле всегда присутствует псевдоемкостный вклад в общую емкость углеродного электрода от гетероатомов (азот, кислород, сера и т. Д.) Поверхностных функциональных групп. Эффективная настройка легирования гетероатомов азотом и кислородом, самодегировавшимся углеродом, привела к оптимальному псевдоемкостному вкладу даже при умеренном уровне азота. ¹¹³

Первоначальный AC, обработанный меламином и мочевиной, проявлял псевдоемкостное поведение, приписываемое содержанию азота и кислорода в поверхностных функциональных группах. ⁷² Моча была использована в качестве предшественника углерода и гетероатомов для получения пористого углеродного электрода, легированного гетероатомами, с повышенной псевдоемкостью и EDLC. ¹¹⁹ Электроды переменного тока были модифицированы обработкой озоном с последующей пропиткой гидроксидом кобальта (II) для получения высокой емкости. Включение кислорода и оксидов переходных металлов приводит к дополнительным псевдоемкостным фарадеевским реакциям. Во время поляризации гидроксид кобальта (II) электрохимически превращается в оксид кобальта (Co ₃ O ₄ ), который отвечает за псевдоемкостный эффект. ¹²¹ He и соавторы ¹²² в своем исследовании емкостного механизма кислородных функциональных групп на поверхности углеродных электродов сообщили об улучшении емкости за счет псевдемкостного поведения кислородных функциональных групп. Псевдоемкость была приписана переносу электрона между кислородными функциональными группами и H ₃ O ⁺ в кислой среде, сопровождающимся разделением положительных и отрицательных зарядов. В щелочной среде псевдоемкость приписывалась реакции внедрения / удаления гидратированных ионов в пору.

Каталитическая активность (электрокатализ и фотокатализ)

Оксиды металлов, такие как TiO ₂ , MnO ₂ , NiCo ₂ O ₄ , Co ₃ O ₄ , Fe _{2 90 3 и Fe 3 O 4 проявляют каталитическую активность в отношении реакции восстановления кислорода (ORR), ^9,123,124 , которая может косвенно влиять на электрод CDI. Srimuk et al. использовали диоксид титана для химической модификации переменного тока с целью увеличения ORR, который можно было бы использовать в качестве механизма предотвращения участия кислорода в коррозии углеродного электрода.Гибриды AC-Titania показали превосходную стабильность в системах CDI, работающих в насыщенной кислородом соленой воде. Кроме того, каталитическая активность в отношении восстановления кислорода препятствует образованию перекиси водорода. ⁹ Материал фотоэлектрода был подготовлен для системы фотокатализа-CDI (PCS) ради синергетического преобразования и удаления общих ионов хрома из водного раствора. Были использованы два противоположных электрода, положительный фотоэлектрод, МОФ MIL-53 (Fe) и отрицательный электросорбционный электрод.Напряжение постоянного тока (DC) и видимый свет подавались на PCS для одновременного преобразования и удаления Cr с использованием синергетического эффекта фотокатализа и CDI. ¹²⁵}

Селективность

Переменный ток, функционализированный ионоселективными функциональными группами, рассматривается как новое средство конкуренции по селективности, которая была уникальной для мембранной емкостной деионизации (MCDI). Удаление определенных ионов, а не удаление всех ионов из исходного раствора дает преимущество в виде снижения затрат на энергию. ²² Селективное удаление ионов объясняется в основном ионной валентностью, стерическими эффектами и взаимодействием между размером пор и радиусом гидратации. ⁸³ В основном электроды полагаются исключительно на механизм на основе электрического поля для накопления заряда в EDL, и, следовательно, стандартный CDI не обеспечивает какой-либо желаемой ионной селективности. Редокс-активные материалы представляют собой многообещающую платформу для контроля селективности по отношению к различным ионам на границе раздела окислительно-восстановительного электрода. Су и Хаттон сообщили, что электрод переменного тока, покрытый окислительно-восстановительным материалом (ПВФ / УНТ), показал интересную селективность, которая зависела от природы заряженных частиц. ¹²⁶ Oyarzun et al. функционализированные электроды переменного тока с цетилтриметиламмонийбромидом (CTAB) и противоэлектрод с додецилбензолсульфонатом натрия (SDBS) для селективного удаления нитрата (NO ₃ ^—) над хлоридом (Cl ^—) в i-CDI. ⁷⁷ TiO ₂ наночастиц, привитых 4,5-дигидрокси-1,3-бензолдисульфонатом динатрия (Тайрон), наносили на АС для образования ионоселективного слоя в процессе CDI. Подготовленный композитный электрод переменного тока показал ионную селективность и пониженное отталкивание коионов. ⁵⁵ Анионообменная смола (смола BHP55) была использована для изготовления нитрат-селективного углеродного электрода из смеси хлорид-, нитрат- и сульфат-ионов в ячейке CDI. ²² Wu et al. покрытый АС анион-селективным кватернизованным поли (4-винилпиридином) для гибридного применения CDI. ¹²⁷ Кроме того, исследование связи между свойствами электрода и электросорбционным поведением ионов выявило вклад отношения мезопористости / микропористости как средства контроля ионной селективности. ²⁰ Позже селективность по ионам была достигнута путем применения ультрамикропористого углерода в процессе электросорбции на основе различий в размерах гидратированных частиц. ^128,129

Текучесть и реологические свойства FCDI

Текучесть и реологические свойства незаменимы по отношению к емкостным технологиям на основе текучих электродов. ¹³⁰ Реологические свойства важны для обеспечения отсутствия засорения, когда электродная суспензия течет по узкому каналу. ^131,132 В основном, высокое содержание углерода обеспечивает улучшенную проводимость, которая приводит к высокому току и, таким образом, более эффективному удалению солей. С другой стороны, высокое содержание углерода приводит к увеличению вязкости, что требует большого количества энергии для перекачивания. ¹³³ AC был модифицирован для улучшения характеристик потока и уменьшения вязкости (паразитной) углеродных суспензий, особенно в системах с проточным электродом CDI (FCDI). Используя окисленный активный материал, Hatzell et al.продемонстрировали использование высокой плотности массы без увеличения потребности в энергии для накачки в FCDI. Более того, реология углеродных суспензий заметно изменяется из-за изменения поверхностных гетероатомов. Функционализация AC приводит к разделению частиц и поддерживает текучесть суспензии с большей диспергируемостью. Следовательно, уменьшение агрегации изменяет текучесть. ⁶ Park et al. модифицированная подвеска переменного тока с ионными головными группами для проточных электродов. АС, покрытый анионообменными или катионообменными полимерами, демонстрирует пониженную вязкость при высоком содержании углерода.Ионным функциональным группам на поверхности AC было приписано снижение характеристической вязкости за счет индуцированного электростатического отталкивания, что привело к желаемой дисперсии частиц AC без агрегации. ¹³¹

Ухудшение пористости и уменьшение площади поверхности

Пористость и площадь поверхности являются основными целями для улучшения EDLC. ¹³⁴ Тем не менее, большая часть улучшенных электрохимических характеристик электродов переменного тока достигается за счет уменьшения или закупорки пор и уменьшения SSA.Функционализация переменного тока с помощью HNO ₃ , H ₂ O ₂ , H ₂ SO ₄ , придают гетероатомы, которые могут улучшить емкость и стабильность электродов CDI. Однако обработка AC окислителями выявила уменьшенный объем пор из-за новых функций внутри или на входе в поры. Zhang et al. сообщили о разрушении структуры пор из-за технологии изготовления с введением гетероатома. ¹¹³ Кроме того, в контексте баланса масс все различные функциональные группы, введенные в AC, могут вызывать уменьшение доступной площади поверхности. ¹¹⁵

Данные BET показали низкую SSA композита AC (AC / MnO ₂ ) по сравнению с исходным AC. Было приписано, что MnO ₂ блокирует некоторые поры и увеличивает сопротивление при уменьшении диаметра пор. ¹³⁵ Электрод переменного тока, покрытый γ -Al ₂ O ₃ в качестве анода и SiO ₂ в качестве катода в асимметричном CDI, продемонстрировал повышенную электросорбционную способность, но радикальное снижение SSA с 1630 мкм ² г ⁻¹ до 1290 м ² г ⁻¹ с 1.7% SiO ₂ и с 1630 м ² г ^-1 до 1293 м ² г ^-1 с 0,35% γ -Al ₂ O ₃ . ⁴² Повышенная стабильность работы переменного тока с гибридными электродами из титана (AC / TiO ₂ ) во время процесса CDI в насыщенной кислородом соленой воде была достигнута за счет снижения SSA из-за закупорки пор из-за загрузки титана. ⁹ Кроме того, переменный ток был покрыт оксидом ванадия для повышения емкости накопления электрохимического заряда за счет псевдоемкостного механизма.Однако добавление псевдоемкостных слоев уменьшило доступные поры и емкость двойного слоя. ¹¹⁷

Поверхностно-активные вещества также влияют на площадь поверхности переменного тока и структуру пор. Измерения BET модифицированного AC показывают уменьшение SSA по сравнению с исходным AC, а также уменьшение объема пор как для микропор, так и для мезопор. Агрегация поверхностно-активных веществ в высокой концентрации приводит к замедлению транспорта ионов электролита из-за закупорки пор AC, уменьшения объема пор и уменьшения SSA. ^58,59 Более того, Alencherry et al. включены УНТ и серебро (Ag) для увеличения гидрофильности и электропроводности электродов переменного тока для CDI, в то время как эти модифицированные электроды показали значительную закупорку пор, связанную с уменьшением SSA, которое было приписано Ag и CNT соответственно. ⁶³ AC, обработанный силановым связующим для улучшения совместимости между AC, связующим и коллектором, также привел к уменьшению SSA и уменьшению диаметра пор. ²¹ Действительно, связующие или когезионные агенты неизбежно покрывают некоторые участки поверхности или поры угольных электродов. Следовательно, свойства связующих и их количество при изготовлении электродов влияют на электрохимические характеристики.

Перекрытие двойного электрического слоя

Перекрытие EDL, связанное с ограничивающим эффектом поровой структуры, может снизить как скорость массопереноса, так и количество ионов внутри пор в состоянии равновесия. ¹³⁶ Перекрытие EDL в микропорах AC происходит, когда средний размер пор обычно меньше длины Дебая. ¹⁶ Дисбаланс между эффектом перекрытия EDL и количеством участков электросорбции в микропористом переменном токе может значительно вызвать потери в емкостном опреснении. ¹³⁷ Yang et al. разработал модель EDL для прогнозирования электросорбции ионов из водных растворов угольными электродами. ¹³⁸ Электроды с большим количеством микропор показали значительное снижение электросорбционной способности из-за наличия пор с шириной меньше заданного значения (ширина поры отсечки), которые не влияют на общую емкость из-за перекрытия EDL .Кроме того, в электрическом поле на электросорбцию в микропорах углеродных электродов может влиять как SSA, так и EDL перекрытие.

Изменение структуры пор во время модификации AC может привести к уменьшению ширины пор до значений, меньших, чем ширина поры отсечки; следовательно, эти поры не влияют на общую адсорбционную способность. Другими словами, модификация может вызвать потерю баланса между количеством электросорбтивных сайтов и перекрытием EDL. В электрическом поле, когда SSA увеличивается, эффект перекрытия EDL становится больше; следовательно, адсорбция ионов снижается.С другой стороны, когда SSA слишком низкое, электрод обеспечивает очень небольшое количество адсорбционных центров на поверхности, что приводит к снижению способности обессоливания. Наличие мезопор в углеродном электроде может ослабить эффект перекрытия EDL. ¹³⁹ Porada с соавторами сообщили о роли мезопор в уменьшении перекрытия EDL. ¹⁴⁰ Обычно для приготовления электродов переменного тока требуются добавки, особенно сажа в качестве проводящей добавки, чтобы заполнить пустоты между частицами активного материала.Следовательно, неподходящее изменение мезопористой / микропористой фракции может препятствовать кинетике сорбции из-за искажения EDL. ²⁰ Pi et al. сообщили о преимуществах частично графитированного переменного тока с улучшенной проводимостью и неповрежденной иерархической пористой структурой в отсутствие проводящих агентов. ¹⁴¹

Электронное и ионное сопротивление

Электронное и ионное сопротивление в электродах CDI определяют перенос электронов и ионов соответственно в матрице электрода.Эти сопротивления способствуют падению напряжения, связанному с высоким потреблением энергии и затруднением кинетики адсорбции. ^63,142 Иерархическая структура пор в переменном токе играет важную роль в процессе электросорбции. Макропоры действуют как пути переноса ионов, в то время как микропоры являются хозяином образования EDL и хранения ионов. ¹⁴² Модификация переменного тока и добавление добавок могут повлиять на структуру переменного тока, что может привести к искажению маршрута и затруднению распространения электронов и ионов в матрице электрода.Хотя использование связующих является обязательным для связывания порошка переменного тока с задним контактом, эти связующие могут препятствовать доступу ионов к порам ^51,143 и давать электроды с плохой электропроводностью. ^102,104 Более того, сополимерные связующие могут проявлять набухание, связанное с уменьшением путей переноса заряда между частицами углерода, тем самым уменьшая образование EDL в микропорах. Кроме того, функциональные возможности гетероатомов могут улучшать смачиваемость и придавать псевдоемкостное поведение.Однако у этих поверхностных функциональных групп есть некоторые недостатки, такие как уменьшение проводимости электрода, предотвращение проникновения ионов в поры из-за уменьшения объемов. ¹²² Кроме того, Min et al. сообщили об устойчивости к зарядке и уменьшенной ионной диффузии, происходящей из-за межфазного сопротивления углеродного электрода со слоем наночастиц TiO ₂ , привитых Тайроном. ⁵⁵

Гидрофобность

Функциональность поверхности — это параметр, определяющий смачиваемость угольного электрода. ¹⁴⁴ Сообщалось о дефункциональности как ухудшение смачиваемости AC в водной среде. Ding et al. исследовали влияние функциональных групп на электрохимические характеристики электрода переменного тока. Хотя дефункционализация AC в атмосфере аргона и водорода при высокой температуре привела к относительно высокому SSA по сравнению с исходным AC, поверхность стала более гидрофобной, что сопровождалось плохой смачиваемостью. ¹¹⁵ Обработка AC с помощью CO ₂ увеличивает SSA и улучшает пористость за счет декарбоксилирования.Следовательно, углеродные материалы становятся более гидрофобными, что затрудняет процесс смачивания. ⁶⁰ Villar et al. подвергали переменный ток различным видам обработки (обработка диоксидом углерода, обработка водородом и термическая обработка) с целью изменения пористости и химического состава поверхности. Интересно, что образец с большим количеством SSA и большим средним диаметром пор показал меньшую адсорбционную способность, чем другие. Высокая гидрофобность, вызванная удалением поверхностных функциональных групп, была приписана затрудненной диффузии ионов в углеродную матрицу. ³³ Кроме того, для изготовления электродов переменного тока требуются полимерные связующие, а обычно используемые связующие являются гидрофобными, такими как поливинилиденфторид (ПВДФ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ). Следовательно, эти связующие снижают смачиваемость электрода ¹⁰⁴ и создают дополнительную гидрофобность на углеродном электроде, что сопровождается снижением скорости диффузии электролита в углеродную структуру.

Жесткость и хрупкость

Использование связующих влияет на механические свойства угольных электродов и влияет на электрохимические характеристики. ¹⁴⁵ Жесткие связующие могут обеспечивать высокую механическую прочность, тогда как гибкие связующие обеспечивают низкую механическую прочность. Однако высокая механическая прочность может привести к уменьшению емкости, ¹⁰² , тогда как электрод с более низкой механической прочностью может вызвать потерю активного материала, который слабо связан, и выход из строя интерфейса электродов. PVDF обладает выдающейся механической, термической и химической стабильностью ^102,105 , что делает его наиболее широко используемым связующим в производстве электродов переменного тока.Однако его жесткость может привести к появлению трещин на поверхности электрода и, как следствие, к снижению рабочих характеристик электрода. ^105,145 Асквит и его коллеги заменили ПВДФ гидрофильными сополимерами (сульфон простого полиариленового эфира) с пониженной механической прочностью. Достигнута улучшенная смачиваемость, но уменьшенная прочность и хрупкость, что приводит к потере углеродных частиц. ¹⁰⁴ Fang et al. использовал полиуретановый эластомер в качестве гибкого связующего, чтобы решить проблему жесткости электрода переменного тока.Несмотря на это достижение, проводимость и стабильность оказались неудовлетворительными по сравнению с ПВДФ. ¹⁰⁵

Коррозия и снижение стабильности

В то время как включение псевдоемкостного материала в углеродный электрод может привести к увеличению накопления заряда, фарадеевские реакции могут препятствовать скорости переноса заряда, что сопровождается снижением стабильности электрода. ¹⁴⁶ Подобно аккумуляторным электродам, композитные электроды из углерода с оксидами металлов часто имеют низкую стабильность. ^41,117,147 Кроме того, химическая обработка считается предпочтительным способом увеличения концентрации поверхностных функциональных групп. ⁷⁶ Однако эти поверхностные функциональные возможности могут участвовать в фарадеевских реакциях ¹⁶ и вызывать накопление необратимых окислительно-восстановительных продуктов, осажденных в порах, что приводит к уменьшению емкости. С другой стороны, удаление поверхностных функциональных групп посредством восстановления Ar / H ₂ придает электроду переменного тока уменьшенное окно электрохимической стабильности (ESW), тем самым препятствуя более широкому рабочему диапазону напряжения. ¹¹⁵

В таблице I суммированы положительные и отрицательные эффекты различных модификаторов на электрод переменного тока, а также возможные будущие достижения.

Таблица I. Эффекты различных модификаторов переменного тока и будущие достижения рассматриваются здесь.

Во время электрохимической операции природа и конструкция электрода напрямую влияют на производительность ячейки CDI в данной конфигурации (расположение катода, анода, сепаратора и соленой воды вместе) и наоборот. Оптимизация свойств AC в направлении идеальности не может быть отделена от данной конфигурации ячейки CDI. Хотя электроды вносят существенный вклад в производительность CDI, они должны быть сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечить высокую производительность, стабильную циклическую стабильность, высокую скорость удаления и т. Д.Более того, выбор конфигурации ячейки CDI и правильное сочетание соответствующих электродов имеет важное значение для успеха этой технологии.

Существует взаимозависимость (рис. 8) между электродами, конфигурацией ячейки CDI и рабочими параметрами. ²⁵ Следовательно, важно выбрать конфигурацию ячейки CDI, которая учитывает конструкцию и свойства электродов. В качестве альтернативы характеристики электродов могут определять конструкцию ячейки. Кроме того, функция конкретной конфигурации ячейки CDI может быть передана обычной ячейке CDI посредством модификации электродов.Например, Мин и др. ⁵⁵ использовал неорганическую пористую пленку TiO ₂ с привитым тироном на электроде переменного тока для получения свойств ионообменной эффективности и эффективности удаления солей MCDI (рис. 9a – 9c). Электрод показал хорошую ионообменную способность и сниженный эффект отталкивания коионов без использования ионообменной мембраны.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 8. Упрощенная схематическая иллюстрация взаимозависимости в производительности CDI и тестировании.Электрод, конфигурация ячейки CDI и рабочие параметры взаимозависимы, что оказывает ключевое влияние на всю производительность системы CDI. В то же время активность электрода определяется компромиссом между физическими, химическими и электрохимическими свойствами, присущими модификаторам в процессе проектирования.

Загрузить рисунок:

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 9. (a) Сравнение изменения проводимости (b) Скорость адсорбции, (c) Эффективность удаления солей, ⁵⁵ (d) Средняя скорость адсорбции соли (ASAR), ⁸⁶ (e) В FBCDI питающая вода проходит через сепаратор между электродами состоят из наноразмерных пор, которые увеличивают площадь поверхности, но предотвращают поток через электроды. (f) Поток в FTECDI, где питающая вода протекает непосредственно через электрод с иерархической пористостью, связанной с низким гидравлическим сопротивлением. ¹⁶¹

Загрузить рисунок:

Эффективность удаления солей в ячейке CDI с симметричными электродами зависит от баланса между отрицательными и положительными химическими зарядами на поверхности электрода. ¹⁵⁶ Другими словами, оптимальная производительность была получена, когда чистый поверхностный заряд был равен нулю как для анода, так и для катода. Тем не менее, симметричная конфигурация более подвержена электрохимическому разрушению по сравнению с асимметричной конфигурацией, особенно при высоком рабочем напряжении. Таким образом, инкапсуляция электродов и использование IEM играют значительную роль в уменьшении замирания цикличности в симметричном CDI. С другой стороны, асимметричный CDI основан на различении двух электродов для установления расширенного окна напряжения, которое может работать за пределами напряжения термодинамического разложения. ¹⁷⁴ Необходимые характеристики асимметричной конфигурации могут быть получены путем интеграции переменного тока с другими материалами. Выбирая электродные материалы или модифицируя эти материалы, можно повлиять на общую производительность системы CDI для данного сценария применения, а также повысить устойчивость системы к деградации при увеличении цикличности. ¹⁷⁵ Однако из-за большого выбора материалов электродов, которые подходят для заданного окна напряжения, выбранные пары анода и катода в асимметричных или гибридных конфигурациях становятся более сложными в отношении емкости, а также показателей производительности и эффективности.

Чтобы избежать несоответствия емкостей между положительными электродами на основе оксида и отрицательными электродами на основе углерода, гетероатомы азота и кислорода, легированные переменным током, были назначены для использования в качестве идеального отрицательного электрода в асимметричной конфигурации. ¹¹³ С другой стороны, симметричная конфигурация с пористыми углеродными материалами, богатыми азотом, имеет конкурентное преимущество перед асимметричной конфигурацией, поскольку позволяет избежать дисбаланса мощности на двух концах (анод и катод). ⁷³ Кроме того, за счет включения псевдоемкостных материалов в угольные электроды получают один с высокой емкостью, которая может ослабить дисбаланс масс в асимметричной конфигурации. По сути, электроды используют свойство псевдочувствительности, чтобы уменьшить несоответствие емкости и кинетики емкостного и фарадеевского электродов. Углеродные материалы, модифицированные озоном, являются подходящими кандидатами для изготовления отрицательных электродов; следовательно, для эффективной асимметричной конфигурации необходим положительный электрод с высоким перенапряжением для выделения кислорода.Кроме того, переменный ток, пропитанный оксидами переходных металлов или электроды на основе псевдочувствительных элементов, был назначен в качестве положительного электрода, чтобы расширить диапазон рабочих напряжений и избежать окислительной деградации . ^121,125 Как правило, гибридные или асимметричные конфигурации обеспечивают улучшенные электрохимические характеристики за счет стратегической конструкции. В частности, гибридные конфигурации позволяют комбинировать емкостные и фарадеевские электроды или псевдоемкостные электроды в одной и той же ячейке CDI для увеличения емкости и скорости. ¹⁷⁶ Более того, емкость гибридной конфигурации частично определяется фарадеевским электродом; следовательно, конструкция электрода с высокой скоростью имеет решающее значение, поскольку фарадеевские реакции протекают медленно.

Работа конфигурации i-CDI зависит исключительно от химического заряда поверхности. Образование химического заряда на поверхности переменного тока делает его подходящим электродом для i-CDI по сравнению с MCDI или обычным CDI (рис. 9d). Путем модификации электрод переменного тока может управлять характеристиками новой конструкции CDI с другим рабочим режимом, чем у обычного элемента CDI.Кроме того, электроды переменного тока со смещенным E _PZC показывают лучшие характеристики в i-CDI, чем обычные CDI. Максимальная движущая сила для адсорбции предотвращает любое вытеснение положительных коионов в i-CDI за счет смещения E _PZC анода из-за анодного окисления. ⁸⁶ Подобно обычному CDI, i-CDI также ограничен низким напряжением ячейки. Тем не менее, перемещение электрода E _PZC может увеличить окно рабочего напряжения i-CDI.

Режим потока в геометрии FTECDI в значительной степени определяется пористостью электрода.Кроме того, геометрия влияет на высокую скорость электроокисления положительно поляризованных электродов. ⁷ В основном, добавление макропор может уменьшить извилистость электрода переменного тока, тем самым увеличивая емкость и улучшая кинетику. Однако интегральный КПД этого электрода зависит от конкретной архитектуры ячейки. ⁴⁵ Поток сырья в FBCDI проходит через сепаратор (рис. 9e) между электродами, который часто состоит из нанопор размером менее 50 нм (высокое SSA), которые страдают от плохого потока из-за высокого гидравлического сопротивления. ¹⁶¹ Существует улучшенный компромисс между SSA и распространением в FTECDI. Таким образом, при проектировании электродов следует учитывать режим потока в конкретной геометрии. Для FTECDI требуется высокопористый электрод с иерархической пористостью (рис. 9f), что обеспечивает как низкое гидравлическое сопротивление, так и высокую удельную емкость. Сусс и др. сообщили о достоинствах углеродных электродов с бимодальной структурой пор, связанных с низким гидравлическим сопротивлением в геометриях FTECDI.Использование макроскопического пористого электрода в FBCDI требует гораздо большего времени для зарядки и опреснения элементов. ^158,161 Напротив, макроскопические пористые электроды в FTECDI позволяют значительно сократить время опреснения и опреснения при более высокой солености подачи на загрузку, ¹⁶¹ из-за преимуществ низкой извилистости, связанной с эффективным потоком. Для очень микропористого AC дальнейшая активация может создать больше мезопор, связанных с уменьшением SSA. С другой стороны, переменный ток с высоким значением SSA может не иметь высокой емкости, если большая часть площади поверхности не участвует в электросорбции.

Кроме того, геометрия FCDI возникла с использованием текучих углеродных электродов, ¹⁷⁷ в которых вся поверхность может быть вовлечена в процесс опреснения, тем самым создавая высокую емкость. Однако проточные электроды страдают от относительно низкой проводимости из-за плохой связи частиц электродов переменного тока, что может препятствовать эффективности FCDI. По сути, высокая массовая нагрузка AC в суспензии приводит к одновременному увеличению связности и вязкости. ⁷⁰ Тем не менее, имеется значительное улучшение характеристик за счет новой конструкции ячеек и оптимизации характеристик суспензии. ¹⁶⁰

Производительность CDI зависит от электродов, архитектуры ячейки и рабочих параметров. Идеально оптимизированные электроды могут обеспечить львиную долю производительности в системах CDI. Переменный ток был основным материалом для изготовления электродов CDI, и с помощью различных модификаторов были получены новые возможности для оптимизации электродов.Регулируя физические и химические свойства, переменный ток, который демонстрирует повышенную активность и универсальность в отношении электрохимических характеристик, может быть дополнительно улучшен для повышения производительности систем CDI. Однако следует предупредить, что, как мы предположили выше, некоторые попытки изменить электроды в отношении одной благоприятной характеристики могут повлиять на другую пагубным образом. Действительно, в эпоху интенсивного использования модификаторов электродов существует потребность в рациональной конструкции без ущерба для некоторых показателей электрохимических характеристик.Что касается электрохимических характеристик, переменный ток обладает некоторыми внутренними недостатками, такими как гидрофобность и низкая проводимость, и поэтому можно рассмотреть возможность модификации электрода переменного тока материалами с превосходными электрохимическими свойствами.

На основе обсуждения было предложено несколько возможных будущих усовершенствований модификации переменного тока. Электропроводящие добавки с текстурой, аналогичной AC, могут поддерживать целостность поверхности и уменьшать перекрытие EDL. Кроме того, перед нанесением покрытия оксидами металлов необходимо определить текстурные характеристики переменного тока, чтобы контролировать размер пор в их композитах.Изготовление электродов без связующего или использование гидрофильных связующих с подходящей механической прочностью может уменьшить проблемы, связанные с использованием связующего. Эффективные электронные медиаторы могут повысить проводимость проточных электродов с желаемыми реологическими свойствами. Использование нескольких модификаторов может повысить улучшение емкости за счет использования их синергизма и / или сосуществования. Например, для увеличения емкости можно использовать совместное легирование нескольких гетероатомов. Кроме того, поверхностно-активные вещества могут влиять как на межфазное поведение, так и на электрохимические характеристики угольных электродов.Следовательно, мы можем постулировать, что усиление активности AC в смешанной системе поверхностно-активных веществ (синергизм) может быть намного лучше, чем использование одного поверхностно-активного вещества.

Однако, когда в состав электрода вводят несколько модификаторов, активность необходимо оценивать с учетом потенциальной опасности для здоровья. Другое предложение состоит в том, что при проектировании электродов переменного тока необходимо учитывать размеры. Путем переплетения переменного тока (нулевого измерения) с многомерными материалами можно улучшить характеристики электрода.В самом деле, разработка переменного тока с одномерным (1D), двухмерным (2D) или трехмерным (3D) материалом с использованием материалов разной размерности в качестве шаблонов или комбинации разных размерностей в одном и том же электроде может быть подходом к расширению Область проектирования электродов переменного тока для повышения производительности. Кроме того, большинство конструкций электродов, описанных в литературе, являются лабораторными исследованиями. Таким образом, полная оценка эффектов модификаторов в практическом контексте еще не подтверждена в крупном масштабе.Вообще говоря, зная влияние модификаторов на конструкцию электродов, можно получить представление о рациональной конструкции.

По сути, настройка всей системы является предварительным условием для того, чтобы уравновесить компромисс между проводимостью-пористостью, функциональной групповой пористостью, механической прочностью-гибкостью, SSA-диффузией, проводимостью-текучестью, эффективностью опреснения-эффективностью заряда и т. Д. к настраиваемому поведению переменного тока, которое можно было бы доработать для повышения производительности.Настройка физико-химических свойств переменного тока и гибридизация с другими материалами (с превосходной электрохимической активностью) по-прежнему открывает большие возможности для улучшения характеристик CDI. И последнее, но не менее важное: выбор модификатора должен учитывать необходимые характеристики электродов для данной конфигурации CDI. Другими словами, конструкция электродов должна соответствовать заданным характеристикам конкретной конфигурации CDI, которая будет использоваться для данного приложения, чтобы воспользоваться преимуществами взаимозависимости.Благодаря неустанным усилиям оптимизация электродов переменного тока за счет рациональной конструкции будет оставаться колыбелью для дальнейших прорывов в развитии технологии CDI.

Угольный электрод ДЭП (carbonDEP) | Многоуровневая производственная лаборатория

CarbonDEP относится к использованию углеродных микроэлектродов для индукции формы диэлектрофореза (DEP) на представляющих интерес биочастицах.

Термическая обработка органического предшественника в инертной атмосфере, процесс, обычно известный как пиролиз, дает углеродсодержащий материал, который является электропроводным, с удельным электрическим сопротивлением 1 X 10 ^-4 Ом / м, когда пиролиз проводится при температурах около 900 ° C в такой атмосфере, как азот.Такое сопротивление аналогично сопротивлению оксида индия и олова, но на четыре порядка больше, чем у Cu. Тем не менее, он по-прежнему позволяет использовать источники низкого напряжения, <20 В _pp , для реализации практической силы диэлектрофореза (DEP), когда зазоры между электродами составляют порядка десятков микрометров. Хорошо известным преимуществом стеклоуглерода перед другими электродными материалами, такими как Au или Pt, является его более высокая электрохимическая стабильность. Это позволяет увеличить силу DEP при использовании угольных электродов, поскольку более высокое напряжение может быть приложено без электролиза образца.Что касается материалов, то полимерный предшественник для стеклоуглерода значительно дешевле благородных металлов.

Полный процесс изготовления устройств CarbonDEP показан на рисунке 1 и подробно описан в другом месте. Важными этапами являются 1) фотолитография SU-8, 2) карбонизация и 3) соединение угольных электродов в микрофлюидных сетях. Фотолитография SU-8 осуществляется в два этапа: а) изготовление плоских встречно-штыревых пальцев, которые станут углеродным соединением, приводит к основанию трехмерных углеродных электродов и б) изготовление геометрических фигур SU-8, которые станут трехмерными углеродными электродами.После создания трехмерной топографии СУ-8 ее помещают в трубчатую печь и подвергают термообработке в инертной атмосфере, обычно в азоте. При пиролизе происходит почти изометрическая усадка, которая особенно важна для DEP, поскольку зазоры между угольными электродами шире, чем в СУ-8. На необязательном этапе тонкий слой SU-8 толщиной около 2 мкм может быть нанесен на угольные электроды для электрической изоляции соединительных выводов и выравнивания поверхности вокруг основания электродов.Представленная последовательность изготовления часто приводит к получению плотных массивов углеродных электродов высотой ~ 100 мкм, которые эффективно увеличивают емкость ячейки на квадратный сантиметр устройств из углеродного DEP. Кроме того, этот процесс хорошо воспроизводится благодаря использованию коммерческих прекурсоров, таких как SU-8, и использованию фотолитографии для формирования рисунка.

Дополнительные ссылки

Ю. Йилдижан, Н. Эрдем, М. Ислам, Р. Мартинес-Дуарте и М. Элитас, «Диэлектрофоретическое разделение живых и мертвых моноцитов с использованием трехмерных углеродных электродов», Сенсоры, 17 (11), 2691 (2017).PDF

Р. Мартинес-Дуарте «Производственные проблемы и перспективы использования диэлектрофореза с угольными электродами при пробоподготовке» IET Nanobiotechnology (2016). Приглашенный критический обзор. Принятые рукописи

Ислам, Р. Нату, М. Ф. Ларрага-Мартинес и Р. Мартинес-Дуарте «Обогащение разбавленной клеточной популяции из больших объемов образцов с использованием трехмерного диэлектрофореза с углеродным электродом» Biomicrofluidics , 10, 033107 (2016). Принятые рукописи

М.Ислам, Р. Нату и Р. Мартинес-Дуарте, «Исследование ограничений и преимуществ использования настольных режущих плоттеров для создания микрофлюидных сетей» Microfluidics and Nanofluidics, 19, (4), 973-985 (2015). Принятые рукописи

М. Элитас, Р. Мартинес-Дуарте, Н. Дхар, Дж. Маккинни и П. Рено, «Очистка субпопуляций бактерий, обработанных антибиотиками», на основе диэлектрофореза. Лаборатория на микросхеме , 14, (11) 1850-1857 (2014). Видео. Принятые рукописи

р.Мартинес-Дуарте, «Диэлектрофорез с угольным электродом для манипулирования биочастицами». Транзакции ECS , 61, (7), 11-22 (2014). Принятые рукописи

Р. Мартинес-Дуарте «Технологии микропроизводства в приложениях диэлектрофореза», Область применения Общества электрофореза AES , сентябрь 2013 г.

Р. Мартинес-Дуарте, Ф. Камачо-Аланис, П. Рено и А. Рос, «Диэлектрофорез лямбда-ДНК с использованием трехмерных углеродных электродов» Электрофорез , 34, 1113-1122 (2013).

M.C. Харамилло, Р. Мартинес-Дуарте, М. Хюттенер, П. Рено, Э. Торренц и А. Хуарес, «Повышение чувствительности ПЦР путем удаления ингибиторов полимеразы из природных образцов с помощью диэлектрофореза». Биосенсоры и биоэлектроника , 43, 297-303 (2013).

Г. Мернье, Р. Мартинес-Дуарте, Р. Лехаль, Ф. Радтке и П. Рено, «Высокопроизводительный лизис электрических клеток и экстракция внутриклеточных соединений с использованием трехмерных углеродных электродов в устройствах« лаборатория на кристалле »» Микромашины , 3, 574-581 (2012).Открытый доступ.

Р. Мартинес-Дуарте и М. Маду, «Трехмерный диэлектрофорез с углеродным электродом», В центре внимания приложения Общества электрофореза AES , октябрь 2011 г. www.aesociety.org/areas/dielectrophoresis.php

Р. Мартинес-Дуарте, П. Рено и М. Дж. Маду, «Новый подход к диэлектрофорезу с использованием угольных электродов» Электрофорез , 32, 2385-2392 (2011). Принятые рукописи

Р. Мартинес-Дуарте, Р. Горкин, К. Аби-Самра, М. Маду, «Интеграция трехмерного диэлектрофореза с углеродным электродом на CD-подобной центробежной микрофлюидной платформе» Lab-on-a-chip , 10 , 8, 1030-1043 (2010).Принятые рукописи

М. К. Харамилло, Э. Торрентс, Р. Мартинес-Дуарте, М. Маду и А. Хуарес, «Разделение бактериальных клеток в режиме онлайн с помощью диэлектрофореза с угольным электродом» Электрофорез , 31, 2921-2928 (2010).

Р. Мартинес-Дуарте, Г. Турон Тейксидор, П. Мукерджи, К. Канг и М.Дж. Маду,
«Перспективы микро- и нано-изготовления углерода для электрохимических и микрожидкостных применений» в журнале «Микрофлюидика и микростроение» под редакцией С. Чакраборти, Springer , 181-263 (2009).PDF

Р. Мартинес-Дуарте, С. Сито, Э. Колладо-Арредондо, С. О. Мартинес и М. Маду, «Флюидодинамическая и электромагнитная характеристика трехмерного диэлектрофореза углерода с помощью анализа методом конечных элементов» Журнал датчиков и преобразователей , 3, 25 -36 (2008). Открытый доступ. PDF

Р. Мартинес-Дуарте «Сортировка клеток без этикеток с использованием диэлектрофореза с угольным электродом и центробежной микрофлюидики», Механическая и аэрокосмическая инженерия, Калифорнийский университет, Ирвин (2010).PDF

Наконечник стеклоуглеродного электрода