膜技术前沿
全文速览
海水淡化中硼的高效、选择性去除是长期存在的技术瓶颈。本研究开发了一种表面功能化微孔电极，结合双极膜辅助电吸附技术，实现了对硼的高选择性、低能耗去除。研究发现，羟基官能团在增强硼选择性吸附中起关键作用，其通过氢键与硼形成可逆结合，优于传统硼选择性官能团形成的不可逆复合物。最优条件下，硼/氯选择性提升一个数量级，能耗显著降低，为海水淡化后处理提供了可持续解决方案。
研究背景
全球超过10亿人缺乏清洁饮用水，海水淡化成为重要补充水源。反渗透是目前主流技术，但对硼等痕量污染物去除效率低，常需多级处理或离子交换，能耗高、化学药剂使用量大。电吸附技术虽适用于低盐度水体，但对硼的选择性差，限制了其应用。
本文要点
电极功能化方法与形貌变化
核心结论：
成功开发了两种电极表面功能化策略，通过引入含氧或硼选择性官能团，显著改变了电极的微观形貌，创造了更多潜在的硼吸附活性位点。
详细分析：
1a（功能化路径示意图）： 清晰地展示了本研究所采用的两种功能化路径。上图为引入含氧官能团的物理化学方法，包括热退火、酸处理和紫外辐照；下图为接枝硼选择性官能团的化学方法，涉及多巴胺（DP）、MAPD和NMDG分子的共价嫁接。
1b（原始电极）： SEM图像显示未经处理的碳布电极纤维表面光滑、呈棒状，缺乏明显的活性位点。
1c–1g（含氧官能团电极）： 经过酸处理（c-e）、热退火（f）和紫外辐照（g）后，电极纤维表面出现了明显的裂缝、孔洞和沟槽状结构。这些形貌变化大幅增加了电极的比表面积，为离子吸附提供了更多空间，其中HNO₃的氧化效果最为剧烈。
1h–1j（硼选择性官能团电极）： 接枝了DP、MAPD和NMDG的电极表面覆盖了一层斑块状附着层，显著增加了表面的结构异质性和起伏，直观证明了功能分子的成功引入。
功能化电极的物理化学性质
核心结论：
功能化在增加电极总比表面积的同时，却降低了其电化学活性面积；通过Boehm滴定定量证实，功能化策略成功地将高密度官能团（尤其是羟基）引入电极表面。
详细分析：
2a–2f（比表面积分析）： 蓝色圆点（BET面积） 显示，经酸、热、UV处理后，电极的总比表面积增加，这与SEM观察到的表面腐蚀和孔洞形成相符。然而，粉色圆点（EASA） 普遍下降，表明功能化过程可能产生了一些电解质无法进入的超微孔，或改变了孔道结构，导致实际可用于电荷存储的面积减少。
2g–2l（官能团密度分析）： Boehm滴定结果定量揭示了不同功能化方法引入的羧基、内酯和羟基浓度。20小时HNO₃处理（2g） 和300°C热退火（2j） 引入了最高浓度的羟基官能团（>3000 μmol g⁻¹），而硼选择性官能团接枝（2l）也带来了极高的羟基密度，尤其是DP功能化电极。
功能化电极的硼去除性能与机理
核心结论：
电极功能化显著提升了硼去除选择性与能效，其关键在于羟基官能团通过可逆氢键实现选择性吸附，而非硼选择性官能团形成的不可逆复合物。
详细分析：
3a（实验装置示意图）： 展示了双极膜辅助电吸附系统的工作原理。双极膜在电场下解离水，向阳极室提供OH⁻，将硼酸转化为易于吸附的硼酸盐离子。
3b（性能对比）： 橙色柱状图显示所有功能化电极的硼去除容量均高于原始电极。蓝色方块（B/Cl选择性） 表明功能化电极的选择性全部提升，其中20小时HNO₃处理电极的选择性（2.25）比原始电极（0.19）高出一个数量级。值得注意的是，传统的硼选择性官能团（DP， NMDG， MAPD）并未表现出最优选择性。
3c（机理验证）： ¹¹B MAS NMR谱图中在3.2 ppm处的化学位移，证实了MAPD等功能团与硼形成了不可逆的单齿配位复合物，这导致了电极再生困难，从而限制了其选择性与循环性能。
3d（能耗分析）： 灰色柱状图显示功能化后电极的比能耗大幅降低。引入含氧官能团的电极能耗最低，归因于其更高的硼去除容量和可逆的吸附过程。
3e（相关性分析）： 热图显示羟基官能团密度与B/Cl选择性呈最强的正相关性，而EASA与孔径则呈负相关，明确指出羟基是提升选择性的最关键因素。
分子动力学模拟揭示选择性吸附机制
核心结论：
分子动力学模拟从分子层面证实，电极表面羟基密度的增加通过增强与硼酸盐离子的氢键作用，是提高硼去除能力和选择性的根本原因。
详细分析：
4a–b（模拟系统与模型）： 构建了狭缝孔模型来模拟电极的微孔环境，图中展示了水分子、钠离子、氯离子和硼酸盐离子的模型。
4c–d（性能与羟基密度关系）： 模拟结果与实验高度一致：随着表面羟基密度增加，归一化的硼去除能力和B/Cl选择性均单调上升。
4e（吸附自由能）： 表明在原始碳表面，Cl⁻的吸附更占优势；但随着羟基密度增加，B(OH)₄⁻的吸附在能量上变得更为有利。
4f（离子分布）： 显示在羟基化的孔道中，B(OH)₄⁻倾向于在靠近孔壁的表面形成双层分布，而Cl⁻则分布在孔道中央，这直观地展示了空间分离与选择性吸附。
4g（氢键分析）： 关键机制图。随着羟基引入，B(OH)₄⁻与表面羟基形成的氢键数量增加，而与水分子的氢键减少，证明了羟基与硼酸盐之间的直接氢键作用是选择性吸附的主要驱动力。
结论
电极表面引入含氧官能团（尤其是羟基）可显著提升硼的选择性电吸附能力。羟基通过可逆氢键与硼相互作用，优于形成不可逆复合物的硼选择性官能团。HNO₃处理20小时的电极表现出最优性能：B/Cl选择性达2.25，能耗低至0.068 kWh·g⁻¹·B。该技术为海水淡化中硼的绿色、高效去除提供了新路径。
意义和展望
本研究不仅揭示了电极功能化对硼选择性吸附的机制，也为其他痕量污染物的选择性去除提供了设计原则。未来可通过优化电极材料、膜结构及操作参数，进一步提升系统能效与稳定性，推动其在实际水处理中的应用。
文献信息
A highly selective and energy efficient approach to boron removal overcomes the Achilles heel of seawater desalination Nature Water 2025
DOI:10.1038/s44221-024-00362-y
来源：环境电化学，仅供行业交流，助力科学传播，如有侵权，请联系后台删除。
【关于开展2025年度科技成果评价工作的通知】
【关于开展2025年度会员纳新工作的通知】
合集推荐
合集 | 膜技术前沿文献分享
合集 | 行业动态抢先看
合集 | 膜科技人才政策一览
合集 | 会议活动快速通道
合集 | 文件通知
原标题：《Nature Water | 耶鲁大学 -“膜王”Elimelech教授：定制官能团，反而不如普通羟基？海水淡化中高效电吸附硼！》