Activated carbon-metal oxide hybrid electrodes for capacitive deionization

Capacitive Deionization (CDI) is a promising technique for removal of ions from various water sources, including drinking water and process waste streams. The original and simplest cell for CDI consists of a pair of activated carbon electrodes with a separator in between to prevent short circuiting and allow for water flow. This is also called a symmetric configuration. The modification and/or replacement of the activated carbon electrodes is a strategy currently explored in the attempt to improve the salt adsorption capacity and/or the energy efficiency. In particular, the formation of carbon / metal oxide hybrids is an interesting approach aiming at preserving the high adsorption capacity typical of activated carbon and simultaneously shifting the zero potential charge of the electrode, aiming at reducing the so-called co-ion expulsion effect. The present work is based on this approach towards the enhancement of the performance of electrode materials for CDI. A similar approach is of potential interest also with respect to application in supercapacitors, where this effect is expected to enable in particular the widening of the operating potential window of the cell. For this reason, the hybrid materials are also characterized following a typical protocol for the assessment of electrode material for supercapacitors. In this study activated carbon / metal oxide hybrid electrodes are fabricated using a wet impregnation method and oxide materials such as TiO2 and SnO2. Various samples were prepared based on different compositions of AC/TiO2 and AC/SnO2. Microstructural characterizations like SEM and XRD have been carried out in order to evaluate the morphology and the composition of the hybrid materials. Thermal Analysis like TGA was also carried out to determine the composition of the ceramic in the hybrid material. The hybrid electrodes are tested in an asymmetric configuration for both supercapacitor and capacitive deionization applications, coupled with a pure activated carbon electrode. In particular, with regard to CDI which is the main concern of this work, it is shown that the asymmetric configuration with hybrid electrode shows better Salt Adsorption Capacity (SAC) when compared to the symmetric cell with activated carbon electrodes. Electrochemical characterizations like Electrochemical Impedance spectroscopy, Galvanostatic Charge Discharge tests, Cyclic Voltammetry, Capacitive Deionization tests were carried out to evaluate the performance of the hybrid materials. CDI cells assembled with Activated carbon-TiO2 and Activated Carbon-SnO2 as the negative electrodes showed better Salt Adsorption Capacity (SAC) when compared to a symmetric cell containing only activated carbon electrodes. These hybrid materials also reduce the ‘overshooting’ problem seen in symmetric activated carbon cells.

La deionizzazione capacitiva (CDI) è una tecnica promettente per la rimozione di ioni dalle acque, sia per il trattamento di acqua potabile sia per il trattamento di acque di processo inquinate. La cella originale, e anche la più semplice, per CDI è costituita da una coppia di elettrodi a carbone attivo (AC) con un separatore intermedio per evitare cortocircuiti e consentire il flusso dell'acqua. Si tratta quindi di una cella a configurazione simmetrica. Modificare o al limite rimpiazzare gli elettrodi di carbone attivo con altri materiali è un modo attualmente studiato allo scopo di migliorare la capacità di adsorbimento e / o l'efficienza energetica della cella. In particolare, la formazione di ibridi carbone attivo / ossido metallico è un approccio interessante che mira a preservare l'elevata capacità di adsorbimento tipica del carbone attivo e contemporaneamente a spostare il potenziale di carica zero dell'elettrodo. l presente lavoro si basa proprio su questo approccio allo scopo di migliorare le prestazioni dei materiali elettrodici per CDI. In aggiunta, questa stessa soluzione di disegno delle celle è interessante anche per l’applicazione in supercondensatori, dove si prevede che questo effetto permetta in particolare di ampliare l’intervallo operativo del potenziale di cella. Pertanto, gli stessi elettrodi ibridi sono stati studiati e caratterizzati in celle asimmetriche accoppiati ad elettrodi ordinari a base di carbone attivo. Gli elettrodi ibridi di AC e ossidi metallici sono fabbricati usando un metodo di impregnazione a umido. In particolare sono stati utilizzati TiO2 e SnO2. Sono stati preparati vari campioni aventi diversa composizione di AC/TiO2 e AC/SnO2. I campioni sono stati caratterizzati mediante microscopia elettronica a scansione e diffrazione di raggi X, per osservarne la morfologia e rilevarne la composizione. Si è fatto inoltre ricorso all’analisi termica TGA per determinare precisamente il tenore di ossido nel materiale ibrido. Gli elettrodi ibridi sono testati in celle del tipo supercondensatore sia in celle di deionizzazione capacitiva in configurazione asimmetrica, accoppiati con un elettrodo di carbone attivo puro. In particolare, nel caso dell’uso per CDI che è la preoccupazione principale di questo lavoro, si è riscontrata una migliore capacità di adsorbimento del sale (SAC) rispetto alla cella simmetrica con elettrodi di carbone attivato. Sono state condotte caratterizzazioni elettrochimiche quali spettroscopia di impedenza elettrochimica, prove di scarica di carica galvanostatica, voltammetria ciclica, prove di deionizzazione capacitiva per valutare le prestazioni dei materiali ibridi. Cellule CDI assemblate con elettrodi ibridi AC/TiO2 e AC/SnO2 come elettrodi negativi hanno mostrato una migliore capacità di adsorbimento salina (SAC) rispetto alla cella simmetrica ad elettrodi di carbone attivo. Questi materiali ibridi riducono anche il problema di "overshooting" osservato nelle celle simmetriche a carbone attivo.