电吸附离子分离的热力学
化学物理
2018-04-02 v1
摘要
我们提出了一种简单的自上而下方法，利用（吉布斯）自由能的变分形式来计算电吸附离子分离的最小能耗。我们重点关注并拓展了静电电容去离子（CDI）的情形，该理论框架独立于双电层电荷分布的细节，并适用于任何热力学一致的模型，如 Gouy-Chapman-Stern (GCS) 和修正的 Donnan (mD) 模型。我们证明，在特定假设下，最小所需电功能量确实等同于分离自由能。利用该理论，我们定义了 CDI 的热力学效率。我们探究了当前实验性 CDI 系统的热力学效率，表明其目前非常低，大多数现有系统低于 1%。我们应用此认识，构建并运行了一个 CDI 池，表明审慎选择材料、几何形状和工艺参数可实现 9% 的热力学效率（每个被移除离子 4.6 kT 能量）。据我们所知，这一相对较高的值是迄今为止 CDI 所展示的最高热力学效率。我们假设，通过进一步降低 CDI 池串联电阻和优化运行参数，效率可进一步提升。
引用
@article{arxiv.1803.11532,
title = {Thermodynamics of Ion Separation by Electrosorption},
author = {Ali Hemmatifar and Ashwin Ramachandran and Kang Liu and Diego I. Oyarzun and Martin Z. Bazant and Juan G. Santiago},
journal= {arXiv preprint arXiv:1803.11532},
year = {2018}
}