304 Нанокомпозити од капиларни цевки базирани на волфрам оксид/фулерен како електрокатализатори и инхибитори на паразитски VO2+/VO2+ реакции во мешани киселини

Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.

Хемиски состав на цевка од нерѓосувачки челик 304

304 Цевката за калеми од не'рѓосувачки челик е еден вид аустенитна легура на хром-никел.Според производителот на цевки од нерѓосувачки челик 304, главната компонента во него е Cr (17%-19%) и Ni (8%-10,5%).Со цел да се подобри неговата отпорност на корозија, постојат мали количини на Mn (2%) и Si (0,75%).

Механички својства на цевка од нерѓосувачки челик 304

Механичките својства на серпентина цевка од нерѓосувачки челик 304 се како што следува:

• Јачина на истегнување: ≥515MPa
• Јачина на попуштање: ≥205MPa
• Издолжување: ≥30%

Апликации и употреба на цевка од нерѓосувачки челик 304

Релативно високата цена на батериите со проток на ванадиум редокс (VRFB) ја ограничува нивната широка употреба.Кинетиката на електрохемиските реакции мора да се подобри за да се зголеми густината на моќноста и енергетската ефикасност на VRFB, а со тоа да се намали цената на kWh на VRFB.Во оваа работа, хидротермално синтетизираните наночестички хидриран волфрам оксид (HWO), C76 и C76/HWO, беа депонирани на електроди од јаглеродна ткаенина и беа тестирани како електрокатализатори за VO2+/VO2+ редокс реакција.Електронска микроскопија за скенирање на теренски емисии (FESEM), енергетска дисперзивна рендгенска спектроскопија (EDX), преносна електронска микроскопија со висока резолуција (HR-TEM), дифракција на рендген (XRD), фотоелектронска спектроскопија на Х-зраци (XPS), инфрацрвена Фурие трансформативна спектроскопија (FTIR) и мерења на контактниот агол.Откриено е дека додавањето на C76 фулерен во HWO може да ја подобри кинетиката на електродата во однос на реакцијата на редокс VO2+/VO2+ со зголемување на спроводливоста и обезбедување на функционални групи што содржат кислород на нејзината површина.Композитот HWO/C76 (50 wt% C76) се покажа како најсоодветен за реакцијата VO2+/VO2+ со ΔEp од 176 mV во споредба со 365 mV за нетретирана јаглеродна ткаенина (UCC).Дополнително, композитот HWO/C76 покажа значајна инхибиција на реакцијата на еволуција на паразитски хлор поради W-OH функционалните групи.
Интензивната човечка активност и брзата индустриска револуција доведоа до незапирливо висока побарувачка за електрична енергија, која расте со околу 3% годишно1.Со децении, широката употреба на фосилните горива како извор на енергија доведе до емисии на стакленички гасови, што доведе до глобално затоплување, загадување на водата и воздухот, загрозувајќи ги цели екосистеми.Како резултат на тоа, до 2050 година се предвидува учеството на чистата обновлива енергија и сончевата енергија да достигне 75% од вкупната електрична енергија1.Меѓутоа, кога производството на обновлива енергија надминува 20% од вкупното производство на електрична енергија, мрежата станува нестабилна 1. Развојот на ефикасни системи за складирање на енергија е од клучно значење за оваа транзиција, бидејќи тие мора да складираат вишок електрична енергија и да ја балансираат понудата и побарувачката.
Помеѓу сите системи за складирање енергија, како што се хибридните ванадиумови редокс батерии со проток2, сите батерии со проток на ванадиум редокс (VRFB) се најнапредни поради нивните многубројни предности3 и се сметаат за најдобро решение за долгорочно складирање на енергија (~ 30 години).Користење на обновливи извори на енергија4.Ова се должи на поделбата на моќноста и густината на енергијата, брзата реакција, долгиот век и релативно ниските годишни трошоци од 65 $/kWh во споредба со 93-140 $/kWh за Li-ion и оловно-киселински батерии и 279-420 USD/kWh./kWh батерии соодветно 4.
Сепак, нивната широко распространета комерцијализација и понатаму е попречена од релативно високите капитални трошоци на системот, главно поради батериските пакети4,5.Така, подобрувањето на перформансите на батеријата со зголемување на кинетиката на две реакции на полу-клетки може да ја намали големината на батеријата и со тоа да ги намали трошоците.Затоа, потребен е брз пренос на електрони на површината на електродата, во зависност од дизајнот, составот и структурата на електродата, што мора внимателно да се оптимизира.Иако електродите базирани на јаглерод имаат добра хемиска и електрохемиска стабилност и добра електрична спроводливост, доколку не се третираат, нивната кинетика ќе биде бавна поради отсуството на функционални групи на кислород и хидрофилноста7,8.Затоа, различни електрокатализатори се комбинираат со јаглеродни електроди, особено јаглеродни наноструктури и метални оксиди, за да се подобри кинетиката на двете електроди, а со тоа да се зголеми кинетиката на електродите VRFB.
Користени се многу јаглеродни материјали, како што се јаглеродна хартија9, јаглеродни наноцевки10,11,12,13, наноструктури базирани на графен14,15,16,17, јаглеродни нановлакна18 и други19,20,21,22,23, освен за семејството фулерен .Во нашата претходна студија за C76, за прв пат ја пријавивме одличната електрокаталитичка активност на овој фулерен кон VO2+/VO2+, во споредба со термички обработената и нетретирана јаглеродна ткаенина, отпорноста на пренос на полнеж беше намалена за 99,5% и 97%24.Каталитичките перформанси на јаглеродните материјали за реакцијата VO2+/VO2+ во споредба со C76 се прикажани во Табела S1.Од друга страна, многу метални оксиди како CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 и WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 се користат поради нивната зголемена влажност и висока содржина на кислород.групи.Табелата S2 ги прикажува каталитичките перформанси на овие метални оксиди во реакцијата VO2+/VO2+.WO3 се користи во значителен број работи поради неговата ниска цена, високата стабилност во киселите медиуми и високата каталитичка активност31,32,33,34,35,36,37,38.Сепак, WO3 покажа мало подобрување во кинетиката на катодата.За да се подобри спроводливоста на WO3, беше тестиран ефектот на користење на редуциран волфрам оксид (W18O49) врз позитивната активност на електродата38.Хидрираниот волфрам оксид (HWO) никогаш не бил тестиран во апликациите на VRFB, иако покажал поголема активност во апликациите на суперкондензатори поради побрзата дифузија на катјони во споредба со безводниот WOx39,40.Третата генерација целосно ванадиумска редокс батерија користи мешан киселински електролит составен од HCl и H2SO4 за да ги подобри перформансите на батеријата и да ја подобри растворливоста и стабилноста на јоните на ванадиум во електролитот.Сепак, паразитската реакција на еволуција на хлор стана една од недостатоците на третата генерација, па пронаоѓањето начини за сузбивање на реакцијата на евалуација на хлорот стана задача на неколку истражувачки групи.
Овде, тестовите за реакција на VO2+/VO2+ беа спроведени на композити HWO/C76 депонирани на електроди од јаглеродна ткаенина со цел да се најде рамнотежа помеѓу електричната спроводливост на композитите и кинетиката на редокс реакцијата на површината на електродата, додека се потиснува паразитското таложење на хлор.реакција (KVR).Наночестичките од хидриран волфрам оксид (HWO) беа синтетизирани со едноставен хидротермален метод.Беа спроведени експерименти во мешан киселински електролит (H2SO4/HCl) за да се симулира третата генерација VRFB (G3) за погодност и да се истражи ефектот на HWO врз реакцијата на паразитската еволуција на хлор42.
Ванадиум (IV) сулфат оксид хидрат (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), сулфурна киселина (H2SO4), хлороводородна киселина (HCl), диметилформамид (DMF, Сигма-Олдрич), поливинилиден флуорид (PVDF, Сигма-Алдрич), натриум Во оваа студија се користени волфрам оксид дихидрат (Na2WO4, 99%, Сигма-Олдрич) и хидрофилна јаглеродна ткаенина ELAT (Продавница за горивни ќелии).
Хидриран волфрам оксид (HWO) е подготвен со хидротермална реакција во која 2 g сол на Na2WO4 се растворени во 12 ml HO додека не се добие безбоен раствор, а потоа се додаваат 12 ml 2 M HCl по капка до светло жолта суспензија. е добиена.суспензија.Хидротермалната реакција беше спроведена во автоклав од нерѓосувачки челик обложен со тефлон во рерна на 180 ºC за 3 часа.Остатокот беше собран со филтрација, измиен 3 пати со етанол и вода, сушен во рерна на 70°C за ~ 3 часа, а потоа сомелен за да се добие сино-сив HWO прав.
Добиените (нетретирани) електроди од јаглеродна ткаенина (CCT) се користеле во форма во која биле добиени или подложени на термичка обработка во цевчеста печка на 450°C во тек на 10 часа со брзина на загревање од 15°C/мин во воздух до се добие третиран UCC (TCC), s Исто како и претходната работа 24. UCC и TCC беа исечени на електроди приближно 1,5 cm широк и 7 cm долги.Суспензиите од C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 и HWO-50% C76 беа подготвени со додавање на 20 mg прашок од активен материјал и 10 wt% (~2,22 mg) PVDF врзивно средство на ~1 ml од DMF се приготвува и се врши со сонкираност 1 час за да се подобри униформноста.Потоа 2 mg C76, HWO и HWO-C76 композити беа нанесени на приближно 1,5 cm2 од областа на активната електрода на UCC.Сите катализатори беа натоварени на UCC електроди и TCC беше користен само за цели на споредба, бидејќи нашата претходна работа покажа дека не е потребна термичка обработка 24 .Отпечатокот беше постигнат со четкање на 100 µl од суспензијата (оптоварување 2 mg) за поголема униформност.Потоа сите електроди се сушат во рерна преку ноќ на 60°C.Електродите се мерат пред и потоа за да се обезбеди точно оптоварување на залихите.Со цел да се има одредена геометриска површина (~1,5 cm2) и да се спречи издигнување на електролитот на ванадиум до електродите поради капиларниот ефект, врз активниот материјал е нанесен тенок слој од парафин.
За набљудување на морфологијата на површината на HWO се користеше електронски микроскоп за скенирање на емисии на терен (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60,5 kV).Енергетска дисперзивна рендгенска спектроскопија опремена со Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) беше искористена за мапирање на елементите HWO-50%C76 на UCC електродите.За да се добијат слики со висока резолуција и дифракциони прстени на честичките HWO се користеше преносен електронски микроскоп со висока резолуција (HR-TEM, JOEL JEM-2100) кој работи на забрзувачки напон од 200 kV.Користете го софтверот Crystallographic Tool Box (CrysTBox) за да ги анализирате HWO дифракционите прстени користејќи ја функцијата ringGUI и да ги споредите резултатите со моделите XRD.Структурата и графитизацијата на UCC и TCC беа одредени со дифракција на Х-зраци (XRD) со брзина на скенирање од 2,4°/мин од 5° до 70° со Cu Kα (λ = 1,54060 Å) со помош на паналитички дифрактометар на Х-зраци.(Модел 3600).XRD ја покажува кристалната структура и фазите на HWO.Софтверот PANalytical X'Pert HighScore беше користен за усогласување на врвовите HWO со мапите на волфрам оксид достапни во базата на податоци45.Споредете ги резултатите од HWO со резултатите од ТЕМ.Хемискиот состав и состојбата на примероците HWO беа утврдени со фотоелектронска спектроскопија на Х-зраци (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).Софтверот CASA-XPS (v 2.3.15) беше користен за врвна деконволуција и анализа на податоците.Извршени се мерења со инфрацрвена спектроскопија на Фуриеова трансформација (FTIR, со употреба на спектрометар Perkin Elmer класа KBr FTIR) за да се одредат површинските функционални групи на HWO и HWO-50%C76.Споредете ги резултатите со резултатите од XPS.Мерењата на контактниот агол (KRUSS DSA25) исто така беа користени за да се карактеризира влажноста на електродите.
За сите електрохемиски мерења користена е работна станица Biologic SP 300.Цикличната волтаметрија (CV) и електрохемиската импеданса спектроскопија (EIS) беа користени за проучување на кинетиката на електродите на редокс реакцијата VO2+/VO2+ и ефектот на дифузија на реагенсот (VOSO4 (VO2+)) врз брзината на реакцијата.И двете технологии користат ќелија со три електроди со концентрација на електролит од 0,1 M VOSO4 (V4+) растворен во 1 M H2SO4 + 1 M HCl (мешана киселина).Сите презентирани електрохемиски податоци се IR коригирани.Заситена каломелна електрода (SCE) и калем од платина (Pt) беа користени како референтна и контра електрода, соодветно.За CV, стапките на скенирање (ν) од 5, 20 и 50 mV/s беа применети на потенцијален прозорец (0-1) V во споредба со SCE за VO2+/VO2+, а потоа коригирани на скалата SHE на заговор (VSCE = 0,242 V во однос на HSE) .За да се испита задржувањето на активноста на електродата, беше извршено рециклирање на CV на UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO и UCC-HWO-50% C76 на ν еднакво на 5 mV/s.За мерења на EIS за редокс реакцијата VO2+/VO2+, користен е опсег на фреквенција од 0,01-105 Hz и нарушување на напонот на отворено коло (OCV) од 10 mV.Секој експеримент се повторуваше 2-3 пати за да се обезбеди конзистентност на резултатите.Хетерогените константи на брзина (k0) се добиени со методот Николсон46,47.
Хидриран волфрам оксид (HVO) е успешно синтетизиран со хидротермална метода.SEM слика на сл.1а покажува дека депонираниот HWO се состои од кластери наночестички со големини на честички во опсег од 25-50 nm.
Шемата за дифракција на Х-зраци на HWO покажува врвови (001) и (002) на ~23,5° и ~47,5°, соодветно, кои се карактеристични за нестоихиометриски WO2.63 (W32O84) (PDF 077-0810, a = 21,4 Å, a = 21,4 Å, Å, a = 21,4 Å,). b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90°), што одговара на неговата очигледна сина боја (сл. 1б)48,49.Други врвови на приближно 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° и 52,7° се на (140), (620), (350), (720), (740), (560).и (970) дифракциони рамнини, соодветно, 49 орторомбни WO2.63.Сонгара и сор.43 го користеле истиот синтетички метод за да се добие бел производ, што се припишува на присуството на WO3(H2O)0,333.Меѓутоа, во оваа работа, поради различни услови, беше добиен сино-сив производ, што укажува на коегзистенција на WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7,3 Å, b = 12,5 Å, c = 7,7 ) во Å , α = β = γ = 90°) и редуцираната форма на волфрам оксид.Полуквантитативната анализа со софтверот X'Pert HighScore покажа 26% WO3(H2O)0,333: 74% W32O84.Бидејќи W32O84 се состои од W6+ и W4+ (1,67:1 W6+:W4+), проценетата содржина на W6+ и W4+ е околу 72% W6+ и 28% W4+, соодветно.SEM слики, XPS спектри од 1 секунда на ниво на јадро, TEM слики, FTIR спектри и Раман спектри на честички C76 беа претставени во нашиот претходен труд24.Според Kawada et al.50,51, моделот на дифракција на Х-зраци на C76 ја покажува моноклиничката структура на FCC по отстранувањето на толуенот.
SEM слики на сл.2a и b го прикажуваат успешното таложење на HWO и HWO-50%C76 на и помеѓу јаглеродните влакна на UCC електродите.Елементарното мапирање на волфрам, јаглерод и кислород во SEM сликата на Сл. 2в е прикажано на сл.2d–f што покажува дека волфрамот и јаглеродот се рамномерно измешани (покажува слична дистрибуција) над површината на електродата и композитот не се депонира рамномерно.поради природата на методот на врнежи.
SEM слики од депонирани HWO честички (а) и HWO-C76 честички (б).EDX мапирањето поставено на HWO-C76 во UCC користејќи ја областа на сликата (в) ја покажува дистрибуцијата на волфрам (d), јаглерод (д) и кислород (f) во примерокот.
HR-TEM се користеше за слики со големо зголемување и кристалографски информации (Слика 3).HWO ја демонстрира морфологијата на нанокоцката како што е прикажано на Слика 3а и појасно на слика 3б.Со зголемување на нанокоцката за дифракција на избраната област, структурата на решетка и дифракционите рамнини што го задоволуваат Браговиот закон може да се визуелизираат како што е прикажано на Слика 3в, потврдувајќи ја кристалноста на материјалот.Во влезот на сл. 3в е прикажано растојанието d 3,3 Å што одговара на (022) и (620) дифракционите рамнини во WO3(H2O)0,333 и W32O84, 43, 44, 49 фази, соодветно.Ова е во согласност со горенаведената XRD анализа (сл. 1б) бидејќи набљудуваното растојание на рамнината на решетка d (сл. 3в) одговара на најсилниот врв на XRD во примерокот HWO.Прстените за примероци се исто така прикажани на сл.3d, каде што секој прстен одговара на посебна рамнина.WO3(H2O)0.333 и W32O84 рамнините се обоени соодветно бело и сино, а нивните соодветни XRD врвови се исто така прикажани на сл. 1б.Првиот прстен прикажан во шемата на прстенот одговара на првиот означен врв во шемата на рентген на (022) или (620) дифракционата рамнина.Од (022) до (402) прстени, пронајдени се d-растојанија од 3,30, 3,17, 2,38, 1,93 и 1,69 Å, кои се во согласност со вредностите на XRD од 3,30, 3,17, 2,45, 1,96 и 1.1.Å, 44, 45, соодветно.
(а) HR-TEM слика на HWO, (б) покажува зголемена слика.Сликите на рамнините за решетки се прикажани во (в), а вметнувањето (в) покажува зголемена слика на рамнините и интервалот d 0,33 nm што одговара на (002) и (620) рамнините.(г) Шема на прстен HWO што ги прикажува рамнините поврзани со фазите WO3(H2O)0,333 (бела) и W32O84 (сина).
Беше направена XPS анализа за да се одреди површинската хемија и оксидационата состојба на волфрам (слики S1 и 4).Спектарот на XPS скенирањето со широк опсег на синтетизираниот HWO е прикажан на сл.S1, што укажува на присуство на волфрам.Спектрите за тесно скенирање XPS на главните нивоа W 4f и O 1s се прикажани на сл.4а и б, соодветно.Спектарот W 4f е поделен на два двојни спин-орбита што одговараат на енергијата на врзување на оксидациската состојба W. Врвовите W 4f5/2 и W 4f7/2 при енергии на врзување од 37,8 и 35,6 eV припаѓаат на W6+, а врвовите W 4f5/2 и W 4f7/2 на 36,6 и 34,9 eV се карактеристични за состојбата W4+, соодветно.Присуството на оксидационата состојба (W4+) дополнително го потврдува формирањето на не-стехиометриски WO2.63, додека присуството на W6+ укажува на стехиометриски WO3 поради WO3(H2O)0.333.Вградените податоци покажаа дека атомските проценти на W6+ и W4+ беа 85% и 15%, соодветно, кои беа релативно блиску до вредностите проценети од податоците на XRD, со оглед на разликата помеѓу двете технологии.И двата методи обезбедуваат квантитативни информации со мала точност, особено XRD.Покрај тоа, двата методи анализираат различни делови од материјалот бидејќи XRD е метод на маса, додека XPS е површински метод кој се приближува само до неколку нанометри.Спектарот O 1s се дели на два врвови на 533 (22,2%) и 530,4 eV (77,8%).Првиот одговара на OH, а вториот на кислородните врски во решетката во WO.Присуството на функционални групи OH е во согласност со хидратационите својства на HWO.
Беше направена и FTIR анализа на овие два примероци за да се испита присуството на функционални групи и координирани молекули на вода во хидрираната HWO структура.Резултатите покажуваат дека примерокот HWO-50% C76 и резултатите од FT-IR HWO изгледаат исти поради присуството на HWO, но интензитетот на врвовите се разликува поради различните количества примерок што се користи при подготовката за анализа (сл. 5а ).HWO-50% C76 Прикажани се сите врвови на фулерен 24, освен врвот на волфрам оксид.Детално на сл.5а покажува дека и двата примероци покажуваат многу силна широка лента од ~ 710/cm, припишана на вибрациите на истегнување на OWO во структурата на решетката HWO, и силно рамо од ~ 840/cm, што се припишува на WO.остриот појас на ~ 1610/cm е поврзан со вибрациите на свиткување на OH, а широкиот појас на апсорпција на ~ 3400/cm е поврзан со вибрациите на растегнување на OH во хидроксилната група43.Овие резултати се конзистентни со XPS спектарот на Сл. 4б, каде што функционалната група WO може да обезбеди активни места за реакцијата VO2+/VO2+.
FTIR анализа на HWO и HWO-50% C76 (а) покажувајќи функционални групи и мерења на контактниот агол (b, c).
Групата OH, исто така, може да ја катализира реакцијата VO2+/VO2+, а со тоа да ја зголеми хидрофилноста на електродата, а со тоа да промовира дифузија и стапки на пренос на електрони.Примерокот HWO-50% C76 покажува дополнителен врв C76 како што е прикажано на сликата.Врвовите на ~2905, 2375, 1705, 1607 и 1445 cm3 може да им се доделат на вибрациите на истегнување CH, O=C=O, C=O, C=C и CO, соодветно.Добро е познато дека кислородните функционални групи C=O и CO можат да послужат како активни центри за редокс реакциите на ванадиумот.За да се тестира и спореди навлажливоста на двете електроди, беа користени мерења на контактниот агол како што е прикажано на сл. 5б, в.Електродата HWO веднаш ги апсорбира капките вода, што укажува на суперхидрофилност поради достапните функционални групи OH.HWO-50% C76 е похидрофобна, со агол на контакт од околу 135° по 10 секунди.Меѓутоа, при електрохемиските мерења, електродата HWO-50%C76 беше целосно навлажнета за помалку од една минута.Мерењата на навлажливоста се во согласност со резултатите од XPS и FTIR, што сугерира дека повеќе OH групи на површината HWO ја прават релативно похидрофилна.
Реакциите VO2+/VO2+ на нанокомпозитите HWO и HWO-C76 беа тестирани и се очекуваше дека HWO ќе ја потисне еволуцијата на гасот хлор што се јавува за време на реакциите VO2+/VO2+ во мешаните киселини, додека C76 дополнително ќе го катализира саканиот VO2+/VO2.HWO суспензии кои содржат 10%, 30% и 50% C76 беа нанесени на UCC електроди со вкупно оптоварување од околу 2 mg/cm2.
Како што е прикажано на сл.6, кинетиката на реакцијата VO2+/VO2+ на површината на електродата беше испитана со користење на CV во мешани кисели електролити.Струите се прикажани како I/Ipa за да се олесни споредбата на ΔEp и Ipa/Ipc.Директно од сликата се добиваат различни катализатори.Тековните податоци за единицата за површина се прикажани на слика 2S.На сл.Слика 6а покажува дека HWO малку ја зголемува брзината на пренос на електрони на VO2+/VO2+ редокс реакцијата на површината на електродата и ја потиснува реакцијата на паразитската еволуција на хлор.Сепак, C76 значително ја зголемува брзината на пренос на електрони и ја катализира реакцијата на еволуцијата на хлорот.Затоа, комплексот со правилен состав на HWO и C76 треба да има најдобра активност и најголема способност да ја инхибира реакцијата на хлор.Утврдено е дека по зголемувањето на содржината на C76, електрохемиската активност на електродата се подобрила, што е потврдено со намалување на ΔEp и зголемување на односот Ipa/Ipc (Табела S3).Ова беше потврдено и со вредностите на RCT извлечени од заплетот Nyquist на Сл. 6d (табела S3), каде што беше откриено дека вредностите на RCT се намалуваат со зголемување на содржината на C76.Овие резултати се исто така конзистентни со студијата на Ли во која додавањето на мезопорозен јаглерод во мезопорозниот WO3 ја подобри кинетиката на пренос на полнеж на VO2+/VO2+35.Ова сугерира дека позитивната реакција може повеќе да зависи од спроводливоста на електродата (C=C врска)18,24,35,36,37.Поради промената во координативната геометрија помеѓу [VO(H2O)5]2+ и [VO2(H2O)4]+, C76 може да го намали и пренапонот на одговорот со намалување на енергијата на ткивото.Сепак, ова можеби не е можно со електродите HWO.
(а) Циклично волтаметриско однесување на композитите UCC и HWO-C76 со различни соодноси HWO:C76 во VO2+/VO2+ реакции во 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl електролит (на ν = 5 mV/s).(б) Randles-Sevchik и (c) Nicholson's VO2+/VO2+ метод за проценка на ефикасноста на дифузијата и добивање на k0 вредности (d).
Не само што HWO-50% C76 ја покажуваше речиси истата електрокаталитичка активност како C76 за реакцијата VO2+/VO2+, туку, поинтересно, дополнително ја потисна еволуцијата на гасот хлор во споредба со C76, како што е прикажано на сликата.6а, покрај тоа што го прикажува помалиот полукруг на сл.6 g (понизок RCT).C76 покажа повисока очигледна Ipa/Ipc од HWO-50% C76 (Табела S3), не поради подобрена реверзибилност на реакцијата, туку поради преклопување со врвот на намалување на хлорот на 1,2 V во споредба со SHE.Најдобрите перформанси на HWO-50% C76 се припишуваат на синергијата помеѓу негативно наелектризираниот високо спроводлив C76 и високата влажност и каталитичките функционалности на W-OH на HWO.Додека помалата емисија на хлор ќе ја подобри ефикасноста на полнење на целосната ќелија, подобрената кинетика ќе ја зголеми ефикасноста на напонот на целосната ќелија.
Според равенката S1, за квази-реверзибилна (релативно бавен пренос на електрони) реакција контролирана со дифузија, врвната струја (IP) зависи од бројот на електрони (n), областа на електродата (A), коефициентот на дифузија (D), број на коефициентот на пренос на електрони (α) и брзината на скенирање (ν).Со цел да се проучи однесувањето на тестираните материјали контролирано со дифузија, односот помеѓу IP и ν1/2 беше нацртан и прикажан на Сл. 6б.Бидејќи сите материјали покажуваат линеарна врска, реакцијата се контролира со дифузија.Бидејќи реакцијата VO2+/VO2+ е квази-реверзибилна, наклонот на линијата зависи од коефициентот на дифузија и вредноста на α (равенка S1).Поради константниот коефициент на дифузија (≈ 4 × 10-6 cm2/s)52, разликата во наклонот на линијата директно укажува на различни вредности на α, а со тоа и различни стапки на пренос на електрони на површината на електродата, со C76 и HWO -50 % C76, покажувајќи најстрмни падини (највисока стапка на пренос на електрони).
Пресметаните нискофреквентни косини на Варбург (W) прикажани во Табела S3 (сл. 6г) имаат вредности блиску до 1 за сите материјали, што укажува на совршена дифузија на редокс честичките и го потврдува линеарното однесување на IP наспроти ν1/2 за CV.мерења .За HWO-50% C76, наклонот на Варбург отстапува од единство до 1,32, што укажува на придонес не само од полу-бесконечната дифузија на реактантите (VO2+), туку и веројатно однесување со тенок слој во однесувањето на дифузијата поради порозноста на електродата.
За понатамошна анализа на реверзибилноста (стапка на пренос на електрони) на редокс реакцијата VO2+/VO2+, методот на квазиреверзибилна реакција на Николсон исто така беше користен за да се одреди стандардната константа на брзина k041.42.Ова се прави со исцртување на бездимензионалниот кинетички параметар Ψ во функција на ΔEp како функција од ν−1/2 со помош на S2 равенката.Табелата S4 ги прикажува добиените вредности на Ψ за секој материјал на електродата.Нацртајте ги резултатите (слика 6в) за да добиете k0 × 104 cm/s (напишано до секој ред и претставено во Табела S4) користејќи ја равенката S3 за наклонот на секоја парцела.Утврдено е дека HWO-50% C76 има најголем наклон (слика 6в) и оттука и највисока вредност на k0 од 2,47 × 10-4 cm/s.Ова значи дека оваа електрода обезбедува најбрза кинетика во согласност со резултатите од CV и EIS на сликите 6а и г и табела S3.Дополнително, вредностите на k0 беа добиени и од графиците на Nyquist (сл. 6d) од равенката S4 користејќи ги вредностите на RCT (Табела S3).Овие k0 резултати од EIS се сумирани во Табела S4 и исто така покажуваат дека HWO-50% C76 покажува највисока стапка на пренос на електрони поради синергетскиот ефект.Иако вредноста на k0 се разликува поради различното потекло на секој метод, таа сепак го покажува истиот редослед на големина и покажува конзистентност.
За целосно разбирање на одличната кинетика што може да се постигне, важно е да се спореди оптималниот материјал на електродата со неизолираните UCC и TCC електроди.За реакцијата VO2+/VO2+, HWO-C76 не само што покажа најниска ΔEp и подобра реверзибилност, туку и значително ја потисна реакцијата на еволуција на паразитскиот хлор во споредба со TCC, како што е наведено со значителен пад на струјата на 1,45 V во споредба со видете OHA (Сл. 7а).Во однос на стабилноста, претпоставивме дека HWO-50% C76 е физички стабилен бидејќи катализаторот беше измешан со врзивно средство PVDF и потоа се нанесе на електродите од јаглеродна ткаенина.Во споредба со 50 mV за UCC, HWO-50% C76 покажа максимално поместување од 44 mV по 150 циклуси (стапка на деградација 0,29 mV/циклус) (Слика 7б).Можеби не е голема разликата, но кинетиката на UCC електродите е многу бавна и се деградира со возење велосипед, особено за реакција на грбот.Иако реверзибилноста на TCC е многу подобра од онаа на UCC, беше откриено дека TCC има големо поместување од 73 mV по 150 циклуси, што може да се должи на големата количина на хлор ослободен од неговата површина.За да се осигура дека катализаторот добро се прилепува на површината на електродата.Како што може да се види на сите тестирани електроди, дури и оние без поддржани катализатори покажуваат различни степени на нестабилност на циклусот, што сугерира дека промените во одвојувањето на врвовите за време на возењето се должат на деактивирање на материјалот поради хемиски промени, а не поради одвојување на катализаторот.Исто така, ако голема количина честички на катализаторот се одвои од површината на електродата, тоа би довело до значително зголемување на одвојувањето на врвовите (не само за 44 mV), бидејќи подлогата (UCC) е релативно неактивна за VO2+/VO2+ редокс реакција.
Споредба на CV (а) и стабилност на редокс реакцијата VO2+/VO2+ (б) на оптималниот електроден материјал во однос на CCC.Во електролитот 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl, сите CV се еднакви на ν = 5 mV/s.
За да се зголеми економската привлечност на VRFB технологијата, подобрувањето и разбирањето на кинетиката на редокс реакцијата на ванадиум е од суштинско значење за постигнување висока енергетска ефикасност.Беа подготвени композити HWO-C76 и беше проучен нивниот електрокаталитички ефект врз реакцијата VO2+/VO2+.HWO покажа мало кинетичко подобрување, но значително ја потисна еволуцијата на хлор во мешани кисели електролити.Различни соодноси на HWO:C76 беа користени за понатамошно оптимизирање на кинетиката на електродите базирани на HWO.Зголемувањето на содржината на C76 во HWO може да ја подобри кинетиката на пренос на електрони на реакцијата VO2+/VO2+ на модифицираната електрода, меѓу кои HWO-50% C76 е најдобриот материјал бидејќи ја намалува отпорноста на пренос на полнеж и дополнително ја потиснува еволуцијата на гасот хлор во споредба со C76.и TCC се ослободуваат.Ова се должи на синергетскиот ефект помеѓу C=C sp2 хибридизацијата, OH и W-OH функционалните групи.Откриено е дека стапката на разградување на HWO-50% C76 е 0,29 mV/циклус при повеќекратно возење, додека UCC и TCC се 0,33 mV/циклус и 0,49 mV/циклус соодветно, што го прави многу стабилен во мешаните киселински електролити.Презентираните резултати успешно ги идентификуваат електродните материјали со високи перформанси за реакцијата VO2+/VO2+ со брза кинетика и висока стабилност.Ова ќе го зголеми излезниот напон, а со тоа ќе ја подобри енергетската ефикасност на VRFB, а со тоа ќе ги намали трошоците за неговата идна комерцијализација.
Збирките на податоци што се користат и/или анализирани во тековната студија се достапни од соодветните автори на разумно барање.
Luderer G. et al.Проценка на енергијата на ветерот и сончевата енергија во глобалните сценарија за ниска јаглеродна енергија: Вовед.Енергетска економија.64, 542-551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. and Kim, H. Анализа на ефектот на таложење на MnO2 врз перформансите на батериите со редокс проток на ванадиум манган.J. Електрохемија.општеството.165 (5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA и Walsh, FK Dynamic единица ќелија модел за целосно ванадиум редокс батерија.J. Електрохемија.општеството.158 (6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA и Mench, MM Модел за мерење и верификација на потенцијална дистрибуција на самото место за целосно ванадиумска редокс батерија.J. Електрохемија.општеството.163 (1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. and Suzuki, T. Моделирање и симулација на ванадиумска редокс батерија со испреплетено поле на флукс за да се оптимизира структурата на електродата.J. Електрохемија.општеството.167 (2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. и Skillas-Kazakos, M. Модификација на материјали од графитни електроди за примена во ванадиумски редокс батерии – I. Термичка обработка.електрохемија.Acta 37 (7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Лиу, Т., Ли, С., Жанг, Х. и Чен, Ј. Напредува во материјалите на електродата за подобрување на густината на моќноста во батериите со проток на ванадиум (VFB).J. Енергетска хемија.27 (5), 1292-1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Лиу, QH и сор.Проточна ќелија за редокс ванадиум со висока ефикасност со оптимизирана конфигурација на електродата и избор на мембрана.J. Електрохемија.општеството.159 (8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., and Yang, K. Композитни јаглеродни наноцевки катализатор електроди со јаглеродна филц поддршка за апликации на ванадиум редокс батерии.J. Напојување.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y. и Kwon, Y. Ефект на бизмут сулфат депониран на закиселени CNTs врз перформансите на батериите со проток на ванадиум редокс.J. Електрохемија.општеството.166 (12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Хуанг, Р.-Х.чекај.Активни електроди модифицирани со јаглеродни наноцевки од платина/повеќе ѕидови за батерии со проток на ванадиум редокс.J. Електрохемија.општеството.159 (10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Но, С. и сор.Проточната батерија на ванадиум редокс користи електрокатализатори украсени со јаглеродни наноцевки допрени со азот, добиени од органометални скелиња.J. Електрохемија.општеството.165 (7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Кан, П. и сор.Нанолистови од графин оксид како одлични електрохемиски активни материјали за VO2+/ и V2+/V3+ редокс парови за батерии со проток на ванадиум редокс.Јаглерод 49 (2), 693-700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Гонзалес, З. и сор.Одлични електрохемиски перформанси на графит филц модифициран со графен за ванадиум редокс батерии.J. Напојување.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
Гонзалез З., Визиријану С., Динеску Г., Бланко С. и Сантамарија Р. Јаглеродни наноѕид филмови како наноструктурирани електродни материјали во батерии со проток на ванадиум редокс.Нано енергија 1 (6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J. и Yung H. Тридимензионален мезопорен јаглероден филц модифициран со графен за батерии со проток на ванадиум редокс со високи перформанси.електрохемија.Закон 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).