Faradaic electrode materials for next-generation electrochemical water desalination

Abstract

An ever-growing global population leads to higher water consumption and demand for advanced remediation technologies. Thus, water stress intensifies in many countries around the world. Most global water remediation is accomplished by established techniques, such as reverse osmosis and thermal desalination. To lower the energy consumption per processed water volume, engineers and scientists investigate novel techniques like capacitive deionization technology (CDI). CDI based on carbon electrodes promises energy-efficient desalination by ion electrosorption but is limited to the remediation of brackish water, that is, very low salt concentration media. My doctoral thesis explores next-generation electrodes for electrochemical water desalination based on Faradaic materials. Unlike carbon, these materials accomplish ion removal by reversible electrochemical processes, such as ion insertion of crystalline structures or redox-reactions of dissolved ions. Faradaic materials not only provide a large potential for enhanced desalination capacity but also enable the remediation of seawater, that is, aqueous media with high molar strength. These features can be accomplished while maintaining a low level of energy consumption to enable energy- efficient water desalination for a more sustainable future.

Das weltweite Bevölkerungswachstum führt zu einem höheren Wasserverbrauch und erhöhtem Bedarf an effektiven Aufbereitungstechnologien. Entsprechend verschärfen sich die Probleme in Bezug auf Zugang und Verfügbarkeit von Trinkwasser in vielen Ländern der Welt. Wissenschaflter*Innen erforschen daher Wasserentsalzungstechnologien, die bessere Energieeffizienz bieten können als die derzeit gängigen Methoden wie Umkehrosmose oder thermische Verfahren. Eine besonders vielversprechende, energie-effiziente Technologie zur Entsalzung ist die kapazitive Deionisierung (CDI). CDI basiert auf Ionenelektrosorption, kann aber nur für Brackwasser eine hohe Energieeffizienz und Entsalzungsleistung darstellen. Die vorliegende Dissertationsschrift erforscht daher neue Faraday’sche Elektrodenmaterialien um Wasser effizient und effektiv zu entsalzen. Hierzu eigenen sich insbesondere Kristallstrukturen, die Ionen durch Insertation aufnehmen können, oder redox-aktive Ionen, welche im wässrigen Medium in Lösung sich befinden. Solche Materialien bieten nicht nur eine hohe Entsalzungskapazität sondern sind auch nicht mehr auf Brackwasser limitiert: sie erlauben sogar die energie-effiziente Entsalzung von Meerwasser und haben damit das Potential, eine vielversprechende Technologie für eine nachhaltigere Zukunft zu sein.