由于淡水短缺影响了全球数百万人，科学家和工程师一直在寻找新的方法来过滤水中不需要的金属和矿物质，同时保留这些元素以供其他地方重复使用。

电容式去离子(CDI)是一种由电极材料制成的膜去除水中金属离子的技术，已被证明是这种下一代滤水器的一种有前途的技术。芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员设想，如果他们修改电极的分子表面，这项技术可以更有效率。

在芝加哥大学联合工作组倡议的支持下，三名研究人员研究了改变这些表面的最佳方法。芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程教授、阿贡首席水资源战略家陈俊红与两位阿贡同事合作：科学家MariaChan和高级物理学家ChrisBenmore。利用实验，机器学习和强大的X射线，他们开发了一种CDI设备，可以比以前更有效地吸附铅。

“我们未来的经济和国家安全实际上取决于清洁水的可用性，”陈说。“真正解决这一水资源挑战的唯一方法是研究水的再利用。这可能会推动对清洁能源应用至关重要的资源的回收，并推动我们走向社会的循环经济。

寻找最佳功能分子基团

创建这样的设备可能会产生广泛的影响。它可以帮助去除水中的铅，以创造更安全的饮用水，并且可以通过从供水中捕获磷和锂来帮助水的再利用，然后释放磷用于肥料和锂用于清洁能源技术。

目前的技术没有能力选择性地分离水中痕量的不同离子，或者只能以高成本这样做。虽然有些技术可以分离金属，但它们不能完全区分一种金属离子和另一种金属离子。这很重要，因为虽然铅应该从饮用水中去除，但另一种金属钙应该留在水中，因为它对人类健康有益。

学分：阿贡国家实验室

CDI已经显示出通过在电极中使用氧化石墨烯等碳材料去除选定金属离子的前景。为了改进这些设备，芝加哥大学-阿贡分校的团队需要更好地了解设备电极表面分子和离子之间的相互作用。

利用建模和机器学习，Chan和她的团队致力于了解改变电极表面上的功能分子基团(具有自身特征的特定原子组)如何影响金属离子的选择性和去除。

“使用计算机模型，我们可以在分子水平上理解和选择官能团。使用机器学习模型，我们可以将搜索范围扩大到许多不同的潜在可行的分子，“Chan说。

研究小组最终发现了可以附着在氧化石墨烯上的官能团，以及选择性地从水中吸附不同类型的离子。他们的预测得到了陈的实验验证，表明该设备可以更有效地从这些新功能团中去除水中的铅。

在阿贡，Benmore使用强大的先进光子源(一种高能X射线)来了解水样中铅的结构，并更好地了解CDI和铅之间的相互作用。“这些都是基于80年代的实验，从那以后没有人真正研究过水中的离子，所以我们真的能够接受很多非常古老但重要的工作，并真正应用新的方法，”他说。

接下来，该团队计划使用其他金属离子(包括锂和钴)测试其设备。该项目受益于芝加哥大学联合工作组倡议的早期资助，该计划通过打开跨机构频繁沟通和协作的渠道，帮助阿贡和费米实验室实现任务成功。

“芝加哥大学联合工作组倡议的支持对这项研究项目至关重要，”陈说。“我认为这个项目促进了芝加哥大学和阿贡大学研究人员之间的合作，这真的非常有影响力，因为我们将为这个项目以及未来的项目共同努力。

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