Na0.44MnO2 intercalation electrodes for asymmetric membrane capacitive deionization

Capacitive deionization (CDI) is a promising and energy-efficient water desalination technology, exploiting ion adsorption at the electrical double layer (EDL) on the surface of activated carbon (AC) electrodes to remove ions from water streams. While the ion removal capacity of carbon-based CDI cells is optimal for water softening treatments, it is not high enough to desalinate efficiently brackish water with high salt concentration. It is then necessary to exploit different materials and ions storage mechanisms, moving to hybrid capacitive deionization (HCDI) technologies. In this work the application of Na0.44MnO2 (NMO) in an asymmetric CDI cell is studied. NMO has received great attention as an electrode material for sodium ion based energy storage devices, in both aqueous and organic electrolytes. More recently, it has been also considered as an interesting material for HCDI, promising higher storage capacity due to its intrinsically different mechanism for ions storage, which exploit S-shaped tunnels in its crystalline structure to intercalate and deintercalated Na+ ions selectively. In this work, an asymmetric CDI cell composed of an NMO positive electrode and an AC negative electrode is designed and characterized. It is shown that the cell requires the use of ionic exchange membranes (IEMs) in front of both electrodes - namely a cationic membrane on the positive electrode side and an anionic membrane on the negative electrode side - to operate consistently and achieve good control over the behaviour of the electrodes. In particular, the cell behaviour and performance are studied as a function of the mass ratio of the active electrode materials, in the attempt to optimize the operation of the cell and gather useful information for the interpretation of its behaviour. After balancing the cell, a salt adsorption capacity (SAC) of 7.1 mg/g (referred to the overall mass of active material in the cell), reasonable rates and a good stability over time, with 2% loss in SAC after 12.4 h, were obtained.

La deionizzazione capacitive (CDI) basata su elettrodi in carbone attivo è una tecnica promettente e ad alta efficienza energetica per desalinizzare le acque, sfruttando un doppio strato elettrico (EDL) sulla superficie degli elettrodi per immagazzinare gli ioni. Benché la capacità di rimozione degli ioni per celle CDI basate su carbone attivo sia ottimale per trattamenti di addolcimento delle acque, risulta essere insufficiente per desalinizzare efficientemente acque salmastre con concentrazioni saline elevate. È quindi necessario sfruttare diversi materiali con particolari meccanismi per l’accumulo di ioni, spostandosi verso tecnologie di deionizzazione ibrida (HCDI). In questo lavoro è stato studiato l’utilizzo di elettrodi in Na0.44MnO2 in configurazione asimmetrica; è un materiale comunemente utilizzato per supercondensatori e batterie a ioni di sodio, nonché un promettente composto per dezionizzazione capacitiva ibrida sotto polarizzazione positiva, che permette di accumulare un maggior quantitativo di ioni grazie a un meccanismo di intercalazione/deintercalazione di ioni sodio all’interno di tunnel a forma di S longitudinali al materiale. Gli ioni cloro vengono invece adsorbiti su un elettrodo in carbone attivo. Per operare efficientemente con questo setup, è necessario utilizzare membrane di scambio ionico (IEMs) davanti a entrambi gli elettrodi, così da avere controllo sulle reazioni e i fenomeni fisici e chimici sugli elettrodi stessi. Dopo aver bilanciato la capacità degli elettrodi nella cella, i risultati mostrano un’interessante capacità di adsorbimento del sale (SAC) di 7.1 mg/g, delle velocità discrete e una buona stabilità nel tempo, con una perdita di solo il 2% della SAC dopo dodici cicli di utilizzo (12.4 h)