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電容性去離子(CDI)在能量上有利於水的去離子化，但現有的方法由於離子可接近的表面不足和電子/離子傳輸速度緩慢，其去離子能力和耗時周期受到限制。在《Science Advances》上的一篇新報告中，Tianyu Liu和美國維吉尼亞理工大學化學系、土木與環境工程系和納米科學系的研究團隊展示了多孔碳纖維（PCF）作為一種有效的CDI材料。他們從微相分離的聚甲基丙烯酸甲酯-塊狀聚丙烯腈(PMMA-b-PAN)中提取了PCF。所得到的PCFs保持了豐富而均勻的中孔與微孔相互連接，形成了一個層次化的多孔結構，具有較大的離子可接近的表面積和較高的脫鹽能力。連續的碳纖維和相互連接的多孔網絡允許快速的電子/離子傳輸，以保持較高的脫鹽率。該工作強調了共聚物基PCF在高容量、高速率CDI方面的前景。
淡水的日益枯竭和分布不均給技術和社會經濟發展帶來了嚴峻的挑戰。海水淡化是解決淡水短缺問題的一種有前景的方法。反滲透和熱蒸餾是處理高鹽濃度的海水或鹹水的廣泛採用的技術，但這種方法在鹽濃度較低的情況下能耗高且成本高。作為一種替代方法，電容去離子（CDI）可以通過電吸附或偽電容反應去除離子，使低鹽濃度的水脫鹽。
材料科學家們使用多孔碳作為CDI的主要電極材料，因為其導電率高、比表面積大、可定製的結構和優良的穩定性。例如活性炭(AC)、石墨烯氣凝膠和從生物質中提取的大孔碳。然而，這類材料的脫鹽能力和脫鹽率仍有待提高。基於微孔和大孔材料的有限性能，Liu等人假設碳纖維由於相互關聯的分層結構，將能夠實現高脫鹽能力率。在這項工作中，該團隊展示了多孔碳纖維(PCF)作為電容去離子的優越電極材料。這裡的技術創新有賴於碳電極前體在分子水平上的設計。Liu等人通過電紡、氧化、穩定化和熱解等方法，使用嵌段共聚物來製備PCFs。所得到的有效海水淡化表面積大，結構豐富均勻，電子傳輸快，離子擴散快，提高了海水淡化能力。
為了設計用於CDI的材料，該團隊研究了三種碳材料，包括具有大離子可接觸表面積的塊狀共聚物基PCF（多孔碳纖維）。該團隊還測試了工業PAN（聚丙烯腈）基碳纖維（CF）和活性炭（AC）。纖維狀碳和相互連接的介孔允許電子和離子的連續有效運輸途徑，同時降低了細胞內脫鹽的內阻，提高了脫鹽率。相比之下，其他材料對離子的電吸附表面積有限，脫鹽率下降。然後，研究小組將這三種材料；PCF、CF和AC粘附在鍍錫銅帶上，並將其作為CDI細胞的電極。使用掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，他們注意到這三種不同的材料有明顯的外觀。根據初步結果，他們預計PCF表現出最高的脫鹽率。
科學家們接下來進行了一系列實驗，了解這三種材料的化學和電學特性。 同時，在沒有任何導電添加劑的情況下，根據電化學阻抗光譜和四點探針測量，PCF和CF材料具有很高的導電性。基於分層多孔結構、有效表面積、高導電性和低擴散電阻等多重特性，課題組決定PCF將成為CDI的優秀電極材料。
他們用兩個對稱電極對兩種水源進行脫鹽，包括用氯化鈉（NaCl）的人工鹹水和用錐形池中的氯化鈉合成自來水，證明了多氯聯苯的去離子能力。他們用離子色譜法測定了自來水中NaCl的濃度,發現自來水中NaCl的濃度在5次去離子循環後已降至超低濃度。Liu等人進一步量化了PCF的脫鹽能力和脫鹽率，在2個PCF電極上施加1.0 V的偏置電壓下進行單循環去離子，觀察到鹽濃度從501.2 mg/L下降到477.5 mg/L。相比之下，含有CF和AC的CDI電池在相同的電壓偏壓下僅顯示出鹽濃度略有下降。在30 mgNaCl gPCF-1時，PCF的脫鹽能力優於其他碳CDI電極，最大脫鹽率達到38 mg g-1 min-1，比碳納米管、石墨烯、CF和其他三維多孔碳的脫鹽速度快約40倍。
PCF的能耗也很低，而且這種多功能材料可以去除水中其他常見的陽離子，包括鉀離子（K+）、鎂離子（Mg2+）和鈣離子（Ca2+）。由於CDI電池的電性雙層，化學反應並沒有改變PCF的表面，使其表面在反覆的電荷放電循環後，不會出現降解或大量流失的跡象，從而保持了脫鹽能力。這樣，Tianyu Liu及其同事們強調了基於塊狀共聚物的PCF是一種高性能的CDI電極材料，同時保持了超高的脫鹽能力，超過了其它最先進的碳材料。Liu等人將超快的脫鹽速率和高脫鹽能力歸功於PCF的結構、物理和電學特性的結合。在未來，Liu等人將研究PCF的特性如何影響海水淡化性能，他們預計材料的表面特性和電容去離子化之間存在正相關關係。研究人員提出了更多的工程設計策略，利用PCF設計出高效的連續脫鹽池，進一步提高脫鹽能力和脫鹽率。
論文標題為《Exceptional capacitive deionization rate and capacity by block copolymer–based porous carbon fibers》。