Electrodeposition of δ-MnO2 on carbon cloth for inverted capacitive deionization

Capacitive Deionization (CDI) is a cost-effective water desalination technology that leverages electrosorption to remove ions. However, CDI application is limited by undesirable faradaic reactions and gradual degradation of the activated carbon electrodes. This study explores the feasibility of δ-MnO2 electrodeposited on conductive carbon cloth (CC) as a superior electrode material for CDI, aiming to address these limitations and expand the CDI application. The study investigates the electrodeposition of δ-MnO2 on CC with varying bath composition, surface pretreatments, applied potentials, and temperatures. Our findings reveal that the intrinsic helical cracking of δ-MnO2 layer is a major challenge on electrode performance and mechanical stability. Strategies to mitigate this issue include anodic deposition from a solution containing 50 mM MnSO4 / 57.5 mM Na2SO4, resulting in a more uniform coating. The deposited δ-MnO2 exhibits a typical pseudocapacitive response, reaching a specific capacitance of 160 Fg-1 within the determined safe potential window of 0.2 – 0.8 V vs. Ag/AgCl in 1 M Na2SO4. Meanwhile, varying coating loadings lead to a proportional decrease in the overall capacitive response, assumably due to the oxide electronic resistance. The behavior and performance of asymmetric +δ-MnO2/CC | AC- iCDI configuration are analyzed. Potential distribution study at different electrode mass ratios is investigated, showing a decreasing trend in positive electrode potential with increasing mass of δ-MnO2/CC. A nearly linear trend in short-circuit potential, dependent on the mass ratio, is observed with a maximum at approximately 1:1. In conclusion, +δ-MnO2/CC | AC- iCDI exhibits relatively high cycling capabilities, keeping a consistent performance in salt adsorption capacity and desalination efficiency, of 6 mgg-1 and 70% respectively, at 1.0 V during 200 desalination-regeneration cycles, outperforming the conventional AC | AC CDI, which makes it a promising candidate for flow-through iCDI configuration, where application of ion-exchange membranes is challenging.

La deionizzazione capacitiva (CDI) è una tecnologia di desalinizzazione dell'acqua economicamente vantaggiosa basata sul fenomeno di elettro-adsorbimento ionico ad elettrodi di carbone attivo. Un limite importante alla sua applicazione è la concomitanza di reazioni faradiche agli elettrodi che comportano una graduale degradazione della capacità di adsorbimento. Questo studio esplora la fattibilità di impiego di elettrodi a film elettrolitico di δ-MnO2 depositato su tessuto di carbonio conduttivo (CC), con l'obiettivo di incrementare la vita operativa degli elettrodi. Si è studiata l'elettrodeposizione di δ-MnO2 su CC in funzione della composizione del bagno di deposizione, dei pretrattamenti superficiali, del potenziale e della temperatura. I risultati rivelano che gli strati di δ-MnO2 sono soggetti a fessurazione elicoidale durante la crescita, a detrimento della massa areale e della stabilità meccanica del film. Le strategie per mitigare questo problema includono la deposizione anodica da una soluzione contenente 50 mM MnSO4 / 57,5 mM Na2SO4, col risultato di un rivestimento più uniforme. Il δ-MnO2 depositato mostra una tipica risposta pseudocapacitiva, con capacità specifica di 160 Fg-1 entro la finestra operativa di potenziale di 0,2 – 0,8 V vs. Ag/AgCl in soluzione 1 M di Na2SO4. Al contrario, variando la massa areale si ottiene una diminuzione proporzionale della risposta capacitiva complessiva, presumibilmente a causa della resistenza elettronica dell'ossido. Si è studiato il comportamento e le prestazioni della configurazione asimmetrica +δ-MnO2/CC | AC- iCDI (inverted-CDI). Si è determinata la distribuzione del potenziale al variare del rapporto di massa degli elettrodi, osservando una diminuzione del potenziale dell'elettrodo positivo con l'aumento della massa di δ-MnO2/CC. È stato osservato un andamento quasi lineare del potenziale di cortocircuito, dipendente dal rapporto di massa, con un massimo locale a circa 1:1. In conclusione, le celle iCDI a configurazione +δ-MnO2/CC | AC- mostrano una buona stabilità ciclica, mantenendo prestazioni costanti nella capacità di adsorbimento del sale e nell'efficienza di desalinizzazione, rispettivamente di 6 mgg-1 e del 70%, durante 200 cicli di desalinizzazione-rigenerazione a tensione di cella di 1,0 V, un risultato che dimostra come questa configurazione sia una soluzione interessante per celle a flusso parallelo, dove l'applicazione di membrane a scambio ionico è problematica.