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近年来,电容去离子（CDI）作为一种低成本、低能耗、环境友好的脱除水溶液中带电离子的新型脱盐技术,受到了研究者的密切关注和广泛研究。电极材料是决定CDI性能的关键因素,其中钠的过渡金属氧化物（NaxMO2,M=Mn,Co,V,etc.）因价格低廉、结构可控、钠储存位点多等特点在脱盐领域受到广泛关注。P2型NaxCoO2（NCO）是典型的二维（2D）层状结构,为Na+离子在层间扩散迁移和储存提供有利条件。但NCO的导电性偏低,结构稳定性不足,制约了其脱盐量和循环稳定性能。本论文以提高NCO材料的脱盐量、脱盐速率和循环稳定性等性能为目标,从NCO二维层状结构出发,通过元素层间掺杂、层板掺杂和有机胺插层组装等方法实现了 NCO电子结构、离子扩散速率和层间化学微环境的调控,成功优化改进了 NCO材料的脱盐性能。以改性的NCO作为负极材料捕获Na+离子,以活性炭为正极吸附CI-离子,组装成杂化电容去离子装置（HCDI）,系统研究了脱盐电压、盐水浓度等工艺参数对脱盐性能的影响。通过原位电化学石英微晶天平（electrochemical quartz-crystal microbalance,EQCM）、原位拉曼（in-situ Raman）、密度泛函理论（density functional theory,DFT）计算等,系统探究了 Na+离子在NCO材料中的电吸附机理,为CDI性能的提升和钠的过渡金属氧化物电极材料的优化设计提供了新的设计理念和思路。主要内容和研究结论如下:1、采用溶胶凝胶法制备P2型片层材料Na0.71CoO2。以不同浓度的碘为氧化剂,对Na0.71CoO2进行化学氧化脱钠,得到了不同Na/Co（x=0.61、0.50、0.45）的P2型层状NaxCoO2材料。研究结果表明,Na含量的降低使得Na+-O2之间的作用力减弱,层间距增大,为Na+离子的储存和迁移提供有利条件,提高了脱盐性能。研究发现钠钴比x=0.50,在529 mg L-1的NaCl溶液中施加1.2 V电压,脱盐量达到65.7 mg g-1,电荷效率达到96.5%,能量损耗为0.64 kWh kg-1。提出亚稳定区间假说来解释不同Na含量对NaxCoO2材料脱盐量和脱盐速率的影响。在电化学脱盐过程中,Na0.50CoO2样品本身就是亚稳定结构,其脱嵌钠离子范围横跨两个相区,导致Na+离子可逆脱嵌的范围最宽,脱盐量最高。此外,层间钠离子的排列方式也影响了脱盐速率,层间的Na+离子和空位形成有序化排列,降低了 Na+离子在相邻棱柱间隙之间迁移的能垒,当x从0.71降为0.50时,层间Na+离子排列方式由“LZZ”型转变为“Row”型结构,Na+离子扩散路径变短,扩散通道更加通畅,脱盐速率最高。2、通过“先掺钙,后脱钠”两步法制备了 Ca2+离子掺杂改性的钴酸钠电极材料。首先通过Ca2+掺杂置换了层间八面体位置Na+离子,得到Na0.71-yCayCoO2（0≤y≤0.05）,增加了层间阳离子和层板的静电引力,对层板起到了“钉扎”作用,阻止了层板的滑移。“脱钠过程”则是通过氧化剂从层间脱出部分Na+离子。随着脱钠量的增加,水分子嵌入到层间形成水合物,得到掺钙脱钠水合物Na0.27Ca0.03CoO2·0.6H2O电极材料。研究表明,适量掺钙（y=0.03）不仅有助于Na+离子迁移扩散,增加可移动的Na+离子数量,而且受强Ca2+-O2-静电吸引力的影响,Ca掺杂在层间形成了 Na+离子与水分子交替排列的单层结构,增强了层板之间的稳定性。另外,水分子在Na+离子脱嵌过程中起到“润滑剂”的作用,提高Na+离子迁移的速率,从而提高了脱盐性能。原位EQCM研究证实Na+离子以水合离子（Na+·0.33H2O）的形式在层间可逆脱嵌入。Na0.27Ca0.03CoO2·0.6H2O组装的HCDI体系在529 mg L-1的NaCl溶液中施加1.2 V电压,脱盐量达到45.6 mg g-1,电荷效率达到95.6%,能量损耗为0.68 kWh kg-1。3、通过控制Na、Zn和Co的摩尔比,采用溶胶凝胶法制备部分Zn2+离子替代Co3+离子的Na0.71Co1-xZnxO2（0≤x≤0.02）材料。掺杂量大于0.02时,生产ZnO杂质,表明Zn在NCO中的固溶度小于0.02x此外,Zn2+掺杂导致Co3+离子向Co4+离子转变以平衡价态,层间距增大。低价Zn2+掺杂增加了 CoO2层板的载流子,提高了 NCO的导电性。研究表明掺杂1%的Zn2+离子能有效增加NCO的电子导电性和Na+离子扩散速率,提高脱盐量和脱盐速率。原位拉曼测试表明Na+离子以水合物的形式在层间可逆脱嵌,脱嵌的过程引起层间距可逆变化。以NCO-0.01为阴极AC为阳极,在500 mg L-1的NaCl溶液中施加1.2 V电压,脱盐量达到63.4 mg g-1,电荷效率达到97.1%,能量损耗为0.57 kWh kg-1。4、以Na0.71CoO2为基底,采用酸碱中和法在层间插入不同烷基链长的有机胺,形成烷基胺插层钴酸钠（aNCO）材料。研究表明层间距扩大有利于Na+离子扩散,但层间距过度膨胀会导致层状结构坍塌,反而不利于Na+离子的扩散。电化学测试和DFT计算均表明正丙胺插层NCO（pNCO）的离子和电子导电性两者协同使得pNCO的脱盐性能最优。通过XRD、FTIR、XPS、EPR等测试表征表明,NCO在循环的过程中性能衰减主要是由于层板发生溶胀、钻离子浸出和生成碳酸钠晶体而破坏了层状结构,使得储钠能力发生不可逆损失。疏水性正丙胺以烷基铵根离子的形式固定在层间,能有效抑制吸水溶胀,阻止氧空位的增加,增强结构的稳定性。此外,增大的层间距能促进Na+离子在层间均匀扩散,避免因边缘层与体相内部吸附Na+离子不均匀而导致的结构坍塌,从而提升了CDI性能的循环稳定性。在500 mg L-1的NaCl溶液中施加1.2 V电压,pNCO组装的HCDI体系脱盐量达到74.0 mg g-1,电荷效率达到97.5%,能量损耗为0.55 kWh kg-1。循环50圈无性能衰减现象。