江苏科技大学施敏杰教授团队ES&T：具有柔性链的双氧化还原聚合物提升电化学脱盐与净水效能
图文摘要
成果简介
近日，江苏科技大学材料科学与工程学院施敏杰教团队在《Environmental Science & Technology》上发表了题为《Tailorable Dual-Redox Polymer with Molecular Flexibility for Enhanced Electrochemical Desalination and Water Purification》的研究论文（DOI: 10.1021/acs.est.4c01059）。本研究聚焦于当前全球水资源短缺背景下，电容去离子（CDI）技术在海水淡化与水体净化中的可持续应用。研究团队创新设计并合成了一种具备分子链柔性、双氧化还原位点的新型聚合物PNDBI。该材料兼具C=O与C=N基团，通过氧化还原机制显著增强对Na⁺的捕获能力，同时其柔性主链结构与较窄的HOMO-LUMO能隙提高了电子迁移率和活性位点可及性。基于该聚合物构建的混合CDI装置在1.2 V下展现出112.1 mg·g⁻¹的高脱盐容量和3.7 mg·g⁻¹·min⁻¹的快速脱盐速率，循环稳定性保持92.0%（200次）。此外，该装置还可高效去除水体中的金属离子和阳离子染料污染物，实现多功能水体净化，并具备良好的生物兼容性与环境安全性。该工作为构建高性能、有机可再生的电化学水处理材料提供了新路径，对缓解全球水资源紧张、实现绿色环境修复具有重要意义。
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针对水资源短缺与传统水处理方法高能耗、低效率的问题，本研究合成了一种具备分子柔性和双重氧化还原活性的有机聚合物PNDBI，用于电化学脱盐与水体净化。该材料通过C=O与C=N赝电容作用提升Na+捕获能力，柔性的分子链和优异的电子性能保障了其高效稳定的电化学行为。基于PNDBI构建的混合CDI装置在1.2 V下实现了112.1 mg·g⁻¹的脱盐容量、3.7 mg·g⁻¹·min⁻¹的脱盐速率，并在200次循环后仍保持92.0%的性能。同时，该装置对金属离子和阳离子染料也具备出色去除效果，展现出良好的多功能净水能力。本研究为新型有机电极材料在高效、绿色水处理领域中的应用提供了新思路。
引言
传统CDI电极材料在脱盐容量、选择性和稳定性方面存在明显不足，难以满足高效水处理需求。本研究通过引入具有C=O与C=N双重氧化还原位点的有机聚合物PNDBI，结合其柔性分子链结构与优异的电子性能，构建了一种新型高性能CDI电极材料，显著提升其电吸附能力与循环稳定性。
图文导读
结构表征
Fig. 1. Structural characterizations of the PNDBI polymer. (a) Synthetic process, (b) solid-state 13C NMR spectrum, (c) solid-state 1H NMR spectrum, and (d) GPC spectrum of the PNDBI polymer. (e) The energy variation (ΔE) of the PNDBI fragment at each angle. (f) LUMO-HOMO levels of the PNDBI polymer. (g) The cytotoxicity test of the PNDBI polymer conducted on HK-2 cells (human renal tubular epithelial cells).
通过核磁共振、红外光谱、GPC和固体紫外等手段确认了PNDBI聚合物的化学结构和高聚合度，其富含C=O与C=N官能团，具备柔性分子链和窄HOMO-LUMO能隙，展现出卓越的电子传输性能。生物毒性测试结果表明，PNDBI在HK-2人肾小管上皮细胞中表现出良好的生物相容性，具备环境友好性与实际应用潜力。
电化学测试
Fig. 2.Electrosorption behaviors of the PNDBI electrode. (a) CV curves at various scan rates, (b) GCD curves, and (c) the corresponding specific capacitances at different current densities. (d) bvalues obtained from redox peaks, (e) voltammetric responses, and (f) capacitive contributions at various scan rates. (g) Cycle stability and coulombic efficiency over multiple cycles. (h) GCD curves and (i) UV-vis spectra of the PNDBI electrode at selected cycle intervals. (j) Comparative performance evaluation with other previously reported Na⁺-capture electrodes.
电化学测试表明，PNDBI电极在电化学过程中表现出典型的赝电容行为，具有显著的双氧化还原峰、高比电容（375 F·g⁻¹）及优异的倍率性能与循环稳定性（~100% after 4000圈）。
Na+脱嵌机理
Fig. 3.Electrochemical mechanism of the PNDBI electrode. (a) In-situ Raman spectra, (b) MESP plot, and (c) DFT-calculated energy profiles for the favorable Na+ adsorption processes of the PNDBI electrode. (d) LUMO-HOMO levels for the PNDBI+4Na. (e) The calculated HOMA values of PNDBI and PNDBI+4Na. (f) Contour maps derived from Bode plots at different charge/discharge states.
图3系统阐述了PNDBI电极中Na+的脱嵌机理。原位拉曼光谱显示C=N和C=O官能团在充放电过程中发生可逆的结构转变，Na⁺通过配位作用同时与这两种活性位点结合。该机理与电化学测试结果高度一致，表明PNDBI电极具有优异的Na⁺捕获效率和结构稳定性。
脱盐性能
Fig. 4. Desalination performances of the PNDBI-based CDI device. (a) Schematic illustration of the CDI device configuration. (b) Comparison of desalination capacity versus desalination rate, (c) desalination capacity, energy consumption, and charge efficiency at varying operating voltages. (d) Benchmarking of desalination performance against previously reported CDI devices. (e) Regeneration performance at 1.2 V, (f) the corresponding desalination capacities and specific energy consumption over cycles. (g) Schematic representation of interconnected CDI-based system. (h) Conductivity reduction profiles during the desalination stages and (i) salt concentration changes before and after three-stage CDI desalination.
图4展示了PNDBI聚合物与活性炭（AC）组成的混合CDI装置的脱盐性能。该装置在1.2 V时实现了最佳性能，表现出高达112.1 mg·g⁻¹的脱盐容量和良好的循环稳定性，200次循环后容量保持率达92%。此外，CDI设备能耗稳定，且无有机电极溶解现象，显示出优异的实用潜力和环境安全性。
多功能应用
Fig. 5. Multifunctional applications of the CDI device in water purification. (a) Time-dependent salt concentration profiles and (b) corresponding removal capacities of the CDI device for KCl, CaCl2, and MgCl2 solutions. (c) UV-vis absorption spectra and (d) pH variation of RhB and MB dye solutions before and after CDI purification. The corresponding growth (e) status and (f) height of seeds irrigated with dye solutions before and after purification. (g) Schematic of electropositive metal and dye ion adsorption on the PNDBI electrode in the CDI device.
图5展示了基于PNDBI电极的CDI装置在多功能水处理中的应用。该装置不仅能有效去除多种常见金属离子（如K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺），实现硬水软化，还能高效去除废水中的阳离子染料显著改善水质。此外，CDI系统还能在水净化的同时回收电能，体现了环境治理与能源利用的协同优势。
小结
本文首次报道了一种具有双重氧化还原活性位点和高分子柔性的生物兼容PNDBI聚合物，用于电化学水处理。该材料展现出优异的电容性能和循环稳定性，结合实验和理论分析揭示了电化学机理及其结构优势。基于此，组装的PNDBI基混合CDI装置实现了高效脱盐、多功能水处理和能量回收，显示出广阔的应用前景。
作者简介
施敏杰，江苏科技大学教授。长期致力于有机高分子材料的设计合成与应用研究，特别是在水处理与电化学交叉领域，近三年以第一或通讯作者Angewandte Chemie、Environmental Science & Technology、Advanced Materials、Water Research、Advanced Functional Materials、Chemical Science等期刊发表学术论文50余篇，其中ESI高被引论文16篇。入选江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师，省“双创博士”，省“科技副总”，市“青年人才托举工程”，“金山英才”产业强市领军人才，2024年全球前2%顶尖科学家榜单。荣获JMR Paper of the Year（年度最佳论文），2024年江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文。
杨骏，江苏科技大学硕士生导师，2018年博士毕业于南京工业大学。致力于新型复合材料的制备及其在能源和环境方面的研究，目前在Adv. Mater.、Angew、Adv. Funct. Mater.、Environmental Science & Technology、Water Research、Materials Horizons、Carbon Energy、PNAS、SCIENCE CHINA Materials、Small、Chemical Engineering Journal等刊物发表SCI 论文100多篇，累计引用5000余次。申请国家发明专利7项，其中授权4 项。主持江苏省自然科学青年基金，中国博士后面上基金，参与国家杰出青年基金、江苏省杰出青年基金、973前期研究专项等。
陶月姮，江苏科技大学硕士，现就读于材料科学与工程学院。研究方向为电容去离子，导师为施敏杰教授。在Environmental Science & Technology、Advanced Functional Materials、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Separation and Purification Technology等期刊上发表SCI论文11篇，其中第一及共同一作论文4篇。研究生期间获得大学生技能减排社会实践与科技竞赛省赛二等奖，国赛二等奖；第十一届中国大学生高分子材料创新创业大赛三等奖和第十二届中国大学生高分子材料创新创业大赛二等奖。
参考文献：
Yang, J.; Tao, Y.; Zhao, C.; Cai, Y.; Xiao, P.; Shi, M. Tailorable Dual-Redox Polymer with Molecular Flexibility for Enhanced Electrochemical Desalination and Water Purification. Environ. Sci. Technol.2025
