304 Νανοσύνθετα με τριχοειδή σωλήνα με βάση το οξείδιο του βολφραμίου/φουλερένιο ως ηλεκτροκαταλύτες και αναστολείς των παρασιτικών αντιδράσεων VO2+/VO2+ σε μικτά οξέα

Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.

Χημική σύνθεση σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα 304

Ο σωλήνας πηνίου 304 από ανοξείδωτο χάλυβα είναι ένα είδος ωστενιτικού κράματος χρωμίου-νικελίου.Σύμφωνα με τον κατασκευαστή σωλήνων πηνίου από ανοξείδωτο χάλυβα 304, το κύριο συστατικό σε αυτό είναι το Cr (17%-19%) και το Ni (8%-10,5%).Προκειμένου να βελτιωθεί η αντοχή του στη διάβρωση, υπάρχουν μικρές ποσότητες Mn (2%) και Si (0,75%).

Μηχανικές ιδιότητες σωλήνα πηνίου από ανοξείδωτο χάλυβα 304

Οι μηχανικές ιδιότητες του σωλήνα πηνίου από ανοξείδωτο χάλυβα 304 είναι οι εξής:

• Αντοχή σε εφελκυσμό: ≥515MPa
• Ισχύς διαρροής: ≥205MPa
• Επιμήκυνση: ≥30%

Εφαρμογές & Χρήσεις Ανοξείδωτου Σωλήνα Πηνίου 304

Το σχετικά υψηλό κόστος των μπαταριών ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου (VRFBs) περιορίζει την ευρεία χρήση τους.Η κινητική των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων πρέπει να βελτιωθεί προκειμένου να αυξηθεί η πυκνότητα ισχύος και η ενεργειακή απόδοση του VRFB, μειώνοντας έτσι το κόστος kWh του VRFB.Σε αυτήν την εργασία, νανοσωματίδια υδροθερμικά συντεθέντα ενυδατωμένου οξειδίου του βολφραμίου (HWO), C76 και C76/HWO, εναποτέθηκαν σε ηλεκτρόδια από ύφασμα άνθρακα και δοκιμάστηκαν ως ηλεκτροκαταλύτες για την αντίδραση οξειδοαναγωγής VO2+/VO2+.Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης πεδίου (FESEM), φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας (EDX), ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης υψηλής ανάλυσης (HR-TEM), περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), υπέρυθρη φασματοσκοπία Fourier Φασματοσκοπία μετασχηματισμού (FTIR) και μετρήσεις γωνίας επαφής.Έχει βρεθεί ότι η προσθήκη C76 φουλερενίου στο HWO μπορεί να ενισχύσει την κινητική του ηλεκτροδίου σε σχέση με την αντίδραση οξειδοαναγωγής VO2+/VO2+ αυξάνοντας την αγωγιμότητα και παρέχοντας λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο στην επιφάνειά του.Το σύνθετο υλικό HWO/C76 (50 wt% C76) αποδείχθηκε ότι είναι το καταλληλότερο για την αντίδραση VO2+/VO2+ με ΔEp 176 mV σε σύγκριση με 365 mV για μη επεξεργασμένο ύφασμα άνθρακα (UCC).Επιπλέον, το σύνθετο HWO/C76 έδειξε σημαντική αναστολή της αντίδρασης έκλυσης παρασιτικού χλωρίου λόγω των λειτουργικών ομάδων W-OH.
Η έντονη ανθρώπινη δραστηριότητα και η ραγδαία βιομηχανική επανάσταση έχουν οδηγήσει σε μια ασταμάτητα υψηλή ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία αυξάνεται κατά περίπου 3% ετησίως1.Για δεκαετίες, η ευρεία χρήση ορυκτών καυσίμων ως πηγή ενέργειας έχει οδηγήσει σε εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, οδηγώντας σε υπερθέρμανση του πλανήτη, ρύπανση του νερού και του αέρα, απειλώντας ολόκληρα οικοσυστήματα.Ως αποτέλεσμα, έως το 2050 το μερίδιο της καθαρής ανανεώσιμης ενέργειας και της ηλιακής ενέργειας προβλέπεται να φθάσει το 75% της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας1.Ωστόσο, όταν η παραγωγή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας υπερβαίνει το 20% της συνολικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το δίκτυο γίνεται ασταθές 1. Η ανάπτυξη αποδοτικών συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας είναι κρίσιμη για αυτή τη μετάβαση, καθώς πρέπει να αποθηκεύουν την περίσσεια ηλεκτρική ενέργεια και να εξισορροπούν την προσφορά και τη ζήτηση.
Μεταξύ όλων των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, όπως οι υβριδικές μπαταρίες οξειδοαναγωγικής ροής βαναδίου2, όλες οι μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου (VRFB) είναι οι πιο προηγμένες λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων τους3 και θεωρούνται η καλύτερη λύση για μακροχρόνια αποθήκευση ενέργειας (~30 χρόνια).Χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας4.Αυτό οφείλεται στον διαχωρισμό ισχύος και πυκνότητας ενέργειας, γρήγορη απόκριση, μεγάλη διάρκεια ζωής και σχετικά χαμηλό ετήσιο κόστος 65 $/kWh σε σύγκριση με 93-140 $/kWh για μπαταρίες Li-ion και μολύβδου-οξέος και 279-420 USD/kWh./kWh μπαταρίες αντίστοιχα 4.
Ωστόσο, η ευρεία εμπορευματοποίησή τους εξακολουθεί να παρεμποδίζεται από το σχετικά υψηλό κόστος κεφαλαίου του συστήματος, κυρίως λόγω των συστοιχιών μπαταριών4,5.Έτσι, η βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας αυξάνοντας την κινητική δύο αντιδράσεων μισών κυψελών μπορεί να μειώσει το μέγεθος της μπαταρίας και έτσι να μειώσει το κόστος.Επομένως, απαιτείται γρήγορη μεταφορά ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, ανάλογα με το σχεδιασμό, τη σύνθεση και τη δομή του ηλεκτροδίου, η οποία πρέπει να βελτιστοποιηθεί προσεκτικά.Αν και τα ηλεκτρόδια με βάση τον άνθρακα έχουν καλή χημική και ηλεκτροχημική σταθερότητα και καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, εάν αφεθούν χωρίς επεξεργασία, η κινητική τους θα είναι αργή λόγω της απουσίας λειτουργικών ομάδων οξυγόνου και της υδροφιλικότητας7,8.Επομένως, διάφοροι ηλεκτροκαταλύτες συνδυάζονται με ηλεκτρόδια άνθρακα, ειδικά νανοδομές άνθρακα και οξείδια μετάλλων, για τη βελτίωση της κινητικής και των δύο ηλεκτροδίων, αυξάνοντας έτσι την κινητική των ηλεκτροδίων VRFB.
Έχουν χρησιμοποιηθεί πολλά υλικά άνθρακα, όπως χαρτί άνθρακα9, νανοσωλήνες άνθρακα10,11,12,13, νανοδομές με βάση το γραφένιο14,15,16,17, νανοΐνες άνθρακα18 και άλλα19,20,21,22,23, εκτός από την οικογένεια φουλερενίου .Στην προηγούμενη μελέτη μας για το C76, αναφέραμε για πρώτη φορά την εξαιρετική ηλεκτροκαταλυτική δράση αυτού του φουλερενίου προς VO2+/VO2+, σε σύγκριση με το θερμικά επεξεργασμένο και μη επεξεργασμένο ύφασμα άνθρακα, η αντίσταση μεταφοράς φορτίου μειώθηκε κατά 99,5% και 97%24.Η καταλυτική απόδοση των υλικών άνθρακα για την αντίδραση VO2+/VO2+ σε σύγκριση με το C76 φαίνεται στον Πίνακα S1.Από την άλλη πλευρά, πολλά οξείδια μετάλλων όπως CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 και WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 χρησιμοποιούνται λόγω της αυξημένης διαβρεξιμότητας και της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε οξύ.ομάδες.Ο Πίνακας S2 δείχνει την καταλυτική απόδοση αυτών των οξειδίων μετάλλων στην αντίδραση VO2+/VO2+.Το WO3 έχει χρησιμοποιηθεί σε σημαντικό αριθμό εργασιών λόγω του χαμηλού κόστους, της υψηλής σταθερότητας σε όξινα μέσα και της υψηλής καταλυτικής του δραστηριότητας31,32,33,34,35,36,37,38.Ωστόσο, το WO3 έδειξε μικρή βελτίωση στην κινητική της καθόδου.Για τη βελτίωση της αγωγιμότητας του WO3, δοκιμάστηκε η επίδραση της χρήσης ανηγμένου οξειδίου του βολφραμίου (W18O49) στη θετική δραστηριότητα των ηλεκτροδίων38.Το ένυδρο οξείδιο του βολφραμίου (HWO) δεν έχει ποτέ δοκιμαστεί σε εφαρμογές VRFB, αν και έχει δείξει υψηλότερη δραστηριότητα σε εφαρμογές υπερπυκνωτών λόγω ταχύτερης διάχυσης κατιόντων σε σύγκριση με το άνυδρο WOx39,40.Η τρίτης γενιάς μπαταρία οξειδοαναγωγικής ροής βαναδίου χρησιμοποιεί έναν μικτό ηλεκτρολύτη οξέος που αποτελείται από HCl και H2SO4 για να βελτιώσει την απόδοση της μπαταρίας και να βελτιώσει τη διαλυτότητα και τη σταθερότητα των ιόντων βαναδίου στον ηλεκτρολύτη.Ωστόσο, η αντίδραση εξέλιξης του παρασιτικού χλωρίου έχει γίνει ένα από τα μειονεκτήματα της τρίτης γενιάς, επομένως η εύρεση τρόπων για την καταστολή της αντίδρασης αξιολόγησης χλωρίου έχει γίνει καθήκον πολλών ερευνητικών ομάδων.
Εδώ, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές αντίδρασης VO2+/VO2+ σε σύνθετα υλικά HWO/C76 που εναποτέθηκαν σε ηλεκτρόδια από ύφασμα άνθρακα προκειμένου να βρεθεί μια ισορροπία μεταξύ της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των σύνθετων υλικών και της κινητικής αντίδρασης οξειδοαναγωγής στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου ενώ καταστέλλεται η παρασιτική εναπόθεση χλωρίου.αντίδραση (KVR).Τα νανοσωματίδια ενυδατωμένου οξειδίου του βολφραμίου (HWO) συντέθηκαν με μια απλή υδροθερμική μέθοδο.Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε μικτό όξινο ηλεκτρολύτη (H2SO4/HCl) για την προσομοίωση του VRFB τρίτης γενιάς (G3) για ευκολία και για τη διερεύνηση της επίδρασης του HWO στην αντίδραση έκλυσης παρασιτικού χλωρίου42.
Ένυδρο θειικό οξείδιο βαναδίου (IV) (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), θειικό οξύ (H2SO4), υδροχλωρικό οξύ (HCl), διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF, Sigma-Aldrich), φθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF, Sigma-Aldrich), νάτριο Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν διένυδρο οξείδιο του βολφραμίου (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) και ύφασμα υδρόφιλου άνθρακα ELAT (Fuel Cell Store).
Ενυδατωμένο οξείδιο βολφραμίου (HWO) παρασκευάστηκε με μια υδροθερμική αντίδραση στην οποία 2 g του άλατος Na2WO4 διαλύθηκαν σε 12 ml HO μέχρι να ληφθεί ένα άχρωμο διάλυμα και στη συνέχεια προστέθηκαν στάγδην 12 ml 2 Μ HCl μέχρι ένα ανοιχτό κίτρινο εναιώρημα Αποκτήθηκε.εναιώρημα.Η υδροθερμική αντίδραση διεξήχθη σε αυτόκαυστο από ανοξείδωτο χάλυβα επικαλυμμένο με τεφλόν σε φούρνο στους 180 ºC για 3 ώρες.Το υπόλειμμα συλλέχθηκε με διήθηση, πλύθηκε 3 φορές με αιθανόλη και νερό, ξηράνθηκε σε φούρνο στους 70°C για~3 ώρες, και στη συνέχεια αλέστηκε για να ληφθεί μια μπλε-γκρι σκόνη HWO.
Τα ληφθέντα (μη επεξεργασμένα) ηλεκτρόδια από ύφασμα άνθρακα (CCT) χρησιμοποιήθηκαν με τη μορφή με την οποία ελήφθησαν ή υποβλήθηκαν σε θερμική επεξεργασία σε κλίβανο σωλήνων στους 450°C για 10 ώρες με ρυθμό θέρμανσης 15°C/min στον αέρα λάβετε επεξεργασμένο UCC (TCC), s Το ίδιο με την προηγούμενη εργασία 24. Το UCC και το TCC κόπηκαν σε ηλεκτρόδια πλάτους περίπου 1,5 cm και μήκους 7 cm.Εναιωρήματα C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 και HWO-50% C76 παρασκευάστηκαν με προσθήκη 20 mg σκόνης δραστικού υλικού και 10 wt% (~2,22 mg) PVDF συνδετικού σε ~1 ml Το DMF παρασκευάστηκε και υποβλήθηκε σε υπερήχους για 1 ώρα για βελτίωση της ομοιομορφίας.Στη συνέχεια, 2 mg σύνθετων υλικών C76, HWO και HWO-C76 εφαρμόστηκαν σε περίπου 1,5 cm2 της περιοχής του ενεργού ηλεκτροδίου UCC.Όλοι οι καταλύτες φορτώθηκαν σε ηλεκτρόδια UCC και το TCC χρησιμοποιήθηκε μόνο για λόγους σύγκρισης, καθώς η προηγούμενη εργασία μας έδειξε ότι δεν απαιτείται θερμική επεξεργασία 24 .Η καθίζηση του αποτυπώματος επιτεύχθηκε με βούρτσισμα 100 μl του εναιωρήματος (φορτίο 2 mg) για μεγαλύτερη ομοιομορφία.Στη συνέχεια όλα τα ηλεκτρόδια ξηράνθηκαν σε φούρνο όλη τη νύχτα στους 60°C.Τα ηλεκτρόδια μετρώνται πριν και μετά για να διασφαλιστεί η ακριβής φόρτωση του αποθέματος.Προκειμένου να έχουμε μια συγκεκριμένη γεωμετρική περιοχή (~1,5 cm2) και να αποτρέψουμε την άνοδο του ηλεκτρολύτη βαναδίου στα ηλεκτρόδια λόγω του τριχοειδούς φαινομένου, εφαρμόστηκε ένα λεπτό στρώμα παραφίνης πάνω από το ενεργό υλικό.
Ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης εκπομπής πεδίου (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60,5 kV) χρησιμοποιήθηκε για την παρατήρηση της μορφολογίας της επιφάνειας HWO.Χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας εξοπλισμένη με Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) για τη χαρτογράφηση των στοιχείων HWO-50%C76 στα ηλεκτρόδια UCC.Ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης υψηλής ανάλυσης (HR-TEM, JOEL JEM-2100) που λειτουργεί σε τάση επιτάχυνσης 200 kV χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης και δακτυλίων περίθλασης σωματιδίων HWO.Χρησιμοποιήστε το λογισμικό Crystallographic Tool Box (CrysTBox) για να αναλύσετε τους δακτυλίους περίθλασης HWO χρησιμοποιώντας τη λειτουργία ringGUI και να συγκρίνετε τα αποτελέσματα με μοντέλα XRD.Η δομή και η γραφιτοποίηση του UCC και του TCC προσδιορίστηκε με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) με ρυθμό σάρωσης 2,4°/min από 5° έως 70° με Cu Kα (λ = 1,54060 Α) χρησιμοποιώντας ένα Παναλυτικό περιθλασίμετρο ακτίνων Χ.(Μοντέλο 3600).Το XRD δείχνει την κρυσταλλική δομή και τις φάσεις του HWO.Το λογισμικό PANAlytical X'Pert HighScore χρησιμοποιήθηκε για την αντιστοίχιση των κορυφών HWO με τους χάρτες οξειδίου του βολφραμίου που είναι διαθέσιμοι στη βάση δεδομένων45.Συγκρίνετε τα αποτελέσματα HWO με τα αποτελέσματα TEM.Η χημική σύνθεση και η κατάσταση των δειγμάτων HWO προσδιορίστηκαν με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).Το λογισμικό CASA-XPS (v 2.3.15) χρησιμοποιήθηκε για αποσυνέλιξη αιχμής και ανάλυση δεδομένων.Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με φασματοσκοπία υπέρυθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR, χρησιμοποιώντας φασματόμετρο Perkin Elmer class KBr FTIR) για τον προσδιορισμό των επιφανειακών λειτουργικών ομάδων των HWO και HWO-50%C76.Συγκρίνετε τα αποτελέσματα με τα αποτελέσματα XPS.Χρησιμοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις γωνίας επαφής (KRUSS DSA25) για τον χαρακτηρισμό της διαβρεξιμότητας των ηλεκτροδίων.
Για όλες τις ηλεκτροχημικές μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε σταθμός εργασίας Biologic SP 300.Η κυκλική βολταμετρία (CV) και η φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής σύνθετης αντίστασης (EIS) χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της κινητικής των ηλεκτροδίων της αντίδρασης οξειδοαναγωγής VO2+/VO2+ και της επίδρασης της διάχυσης του αντιδραστηρίου (VOSO4 (VO2+)) στον ρυθμό αντίδρασης.Και οι δύο τεχνολογίες χρησιμοποιούν ένα στοιχείο τριών ηλεκτροδίων με συγκέντρωση ηλεκτρολύτη 0,1 M VOSO4 (V4+) διαλυμένο σε 1 M H2SO4 + 1 M HCl (μικτό οξύ).Όλα τα ηλεκτροχημικά δεδομένα που παρουσιάζονται είναι IR διορθωμένα.Ένα κορεσμένο ηλεκτρόδιο καλομέλας (SCE) και ένα πηνίο πλατίνας (Pt) χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδιο αναφοράς και αντίθετο, αντίστοιχα.Για το CV, οι ρυθμοί σάρωσης (ν) των 5, 20 και 50 mV/s εφαρμόστηκαν σε ένα δυναμικό παράθυρο (0–1) V σε σύγκριση με το SCE για VO2+/VO2+, και στη συνέχεια διορθώθηκαν στην κλίμακα SHE στο διάγραμμα (VSCE = 0,242 V σε σχέση με HSE) .Για τη διερεύνηση της κατακράτησης της δραστηριότητας των ηλεκτροδίων, πραγματοποιήθηκε ανακύκλωση CV σε UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO και UCC-HWO-50% C76 σε ν ίσο με 5 mV/s.Για μετρήσεις EIS για την αντίδραση οξειδοαναγωγής VO2+/VO2+, χρησιμοποιήθηκε ένα εύρος συχνοτήτων 0,01-105 Hz και μια διαταραχή τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV) 10 mV.Κάθε πείραμα επαναλήφθηκε 2-3 φορές για να εξασφαλιστεί η συνέπεια των αποτελεσμάτων.Οι ετερογενείς σταθερές ρυθμού (k0) ελήφθησαν με τη μέθοδο Nicholson46,47.
Το ενυδατωμένο οξείδιο του βολφραμίου (HVO) έχει συντεθεί επιτυχώς με την υδροθερμική μέθοδο.Εικόνα SEM στο σχ.Το 1α δείχνει ότι το εναποτιθέμενο HWO αποτελείται από συστάδες νανοσωματιδίων με μεγέθη σωματιδίων στην περιοχή από 25–50 nm.
Το σχέδιο περίθλασης ακτίνων Χ του HWO δείχνει κορυφές (001) και (002) σε ~23,5° και ~47,5°, αντίστοιχα, οι οποίες είναι χαρακτηριστικές του μη στοιχειομετρικού WO2.63 (W32O84) (PDF 077-0810, a = 21,4 Å, b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90°), που αντιστοιχεί στο φαινομενικό μπλε χρώμα του (Εικ. 1β)48,49.Άλλες κορυφές σε περίπου 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° και 52,7° είναι στις (140), (620), (350), (720), (740), (560).και (970) επίπεδα περίθλασης, αντίστοιχα, 49 ορθορομβικά WO2.63.Songara et al.43 χρησιμοποίησαν την ίδια συνθετική μέθοδο για να λάβουν ένα λευκό προϊόν, το οποίο αποδόθηκε στην παρουσία WO3(H2O)0,333.Ωστόσο, σε αυτήν την εργασία, λόγω διαφορετικών συνθηκών, λήφθηκε ένα μπλε-γκρι προϊόν, που υποδεικνύει τη συνύπαρξη του WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7,3 Å, b = 12,5 Å, c = 7,7 ) σε Å , α = β = γ = 90°) και την ανηγμένη μορφή οξειδίου του βολφραμίου.Η ημιποσοτική ανάλυση με το λογισμικό X'Pert HighScore έδειξε 26% WO3(H2O)0,333: 74% W32O84.Εφόσον το W32O84 αποτελείται από W6+ και W4+ (1,67:1 W6+:W4+), το εκτιμώμενο περιεχόμενο των W6+ και W4+ είναι περίπου 72% W6+ και 28% W4+, αντίστοιχα.Εικόνες SEM, φάσματα XPS 1 δευτερολέπτου σε επίπεδο πυρήνα, εικόνες TEM, φάσματα FTIR και φάσματα Raman των σωματιδίων C76 παρουσιάστηκαν στην προηγούμενη εργασία μας24.Σύμφωνα με τους Kawada et al.50,51, το σχέδιο περίθλασης ακτίνων Χ του C76 δείχνει τη μονοκλινική δομή του FCC μετά την απομάκρυνση του τολουολίου.
Εικόνες SEM στην εικ.Τα σχήματα 2a και b δείχνουν την επιτυχή εναπόθεση των HWO και HWO-50%C76 πάνω και μεταξύ των ινών άνθρακα των ηλεκτροδίων UCC.Η στοιχειακή χαρτογράφηση του βολφραμίου, του άνθρακα και του οξυγόνου στην εικόνα SEM στο Σχ. 2γ φαίνεται στο Σχ.2d–f που δείχνει ότι το βολφράμιο και ο άνθρακας αναμειγνύονται ομοιόμορφα (δείχνοντας παρόμοια κατανομή) στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και το σύνθετο υλικό δεν εναποτίθεται ομοιόμορφα.λόγω της φύσης της μεθόδου καθίζησης.
Εικόνες SEM αποτιθέμενων σωματιδίων HWO (α) και σωματιδίων HWO-C76 (β).Η χαρτογράφηση EDX που ανέβηκε στο HWO-C76 στο UCC χρησιμοποιώντας την περιοχή στην εικόνα (γ) δείχνει την κατανομή του βολφραμίου (d), του άνθρακα (e) και του οξυγόνου (f) στο δείγμα.
Το HR-TEM χρησιμοποιήθηκε για απεικόνιση υψηλής μεγέθυνσης και κρυσταλλογραφικές πληροφορίες (Εικόνα 3).Το HWO δείχνει τη μορφολογία νανοκύβου όπως φαίνεται στο Σχήμα 3α και πιο καθαρά στο Σχήμα 3β.Με τη μεγέθυνση του νανοκύβου για περίθλαση μιας επιλεγμένης περιοχής, η δομή του πλέγματος και τα επίπεδα περίθλασης που ικανοποιούν το νόμο του Bragg μπορούν να απεικονιστούν όπως φαίνεται στο Σχήμα 3γ, επιβεβαιώνοντας την κρυσταλλικότητα του υλικού.Στο ένθετο στο Σχ. 3c δείχνει την απόσταση d 3,3 Α που αντιστοιχεί στα επίπεδα περίθλασης (022) και (620) στις φάσεις WO3(H2O)0,333 και W32O84, 43, 44, 49, αντίστοιχα.Αυτό είναι σύμφωνο με την παραπάνω ανάλυση XRD (Εικ. 1β) καθώς η παρατηρούμενη απόσταση επιπέδου πλέγματος d (Εικ. 3γ) αντιστοιχεί στην ισχυρότερη κορυφή XRD στο δείγμα HWO.Οι δακτύλιοι δειγμάτων φαίνονται επίσης στο σχ.3d, όπου κάθε δακτύλιος αντιστοιχεί σε ξεχωριστό επίπεδο.Τα επίπεδα WO3(H2O)0.333 και W32O84 είναι χρωματισμένα λευκά και μπλε, αντίστοιχα, και οι αντίστοιχες κορυφές XRD τους φαίνονται επίσης στο Σχ. 1β.Ο πρώτος δακτύλιος που εμφανίζεται στο σχέδιο δακτυλίου αντιστοιχεί στην πρώτη σημειωμένη κορυφή στο σχέδιο ακτίνων Χ του επιπέδου περίθλασης (022) ή (620).Από (022) έως (402) δακτυλίους, βρέθηκαν αποστάσεις d 3,30, 3,17, 2,38, 1,93 και 1,69 Å, οι οποίες είναι συνεπείς με τιμές XRD των 3,30, 3,17, 2,45, 1,66 και 1,1.Å, 44, 45, αντίστοιχα.
(α) Η εικόνα HR-TEM του HWO, (β) δείχνει μια μεγεθυμένη εικόνα.Οι εικόνες των επιπέδων πλέγματος φαίνονται στο (c) και το ένθετο (c) δείχνει μια μεγεθυμένη εικόνα των επιπέδων και το διάστημα d 0,33 nm που αντιστοιχεί στα επίπεδα (002) και (620).(δ) Μοτίβο δακτυλίου HWO που δείχνει τα επίπεδα που σχετίζονται με τις φάσεις WO3(H2O)0,333 (λευκό) και W32O84 (μπλε).
Πραγματοποιήθηκε ανάλυση XPS για να προσδιοριστεί η χημεία της επιφάνειας και η κατάσταση οξείδωσης του βολφραμίου (Εικόνες S1 και 4).Το φάσμα της σάρωσης XPS μεγάλου εύρους του συντιθέμενου HWO φαίνεται στο Σχ. .S1, που δείχνει την παρουσία βολφραμίου.Τα φάσματα στενής σάρωσης XPS των κύριων επιπέδων W 4f και O 1s φαίνονται στα Σχ.4α και β, αντίστοιχα.Το φάσμα W 4f χωρίζεται σε δύο διπλές τροχιές σπιν που αντιστοιχούν στην ενέργεια δέσμευσης της κατάστασης οξείδωσης W. Οι κορυφές W 4f5/2 και W 4f7/2 σε ενέργειες δέσμευσης 37,8 και 35,6 eV ανήκουν στο W6+ και οι κορυφές W 4f5/2 και W 4f7/2 στα 36,6 και 34,9 eV είναι χαρακτηριστικά της κατάστασης W4+, αντίστοιχα.Η παρουσία της κατάστασης οξείδωσης (W4+) επιβεβαιώνει περαιτέρω το σχηματισμό του μη στοιχειομετρικού WO2.63, ενώ η παρουσία του W6+ υποδηλώνει στοιχειομετρικό WO3 λόγω του WO3(H2O)0.333.Τα προσαρμοσμένα δεδομένα έδειξαν ότι τα ατομικά ποσοστά των W6+ και W4+ ήταν 85% και 15%, αντίστοιχα, τα οποία ήταν σχετικά κοντά στις τιμές που εκτιμήθηκαν από τα δεδομένα XRD, δεδομένης της διαφοράς μεταξύ των δύο τεχνολογιών.Και οι δύο μέθοδοι παρέχουν ποσοτικές πληροφορίες με χαμηλή ακρίβεια, ειδικά XRD.Επιπλέον, οι δύο μέθοδοι αναλύουν διαφορετικά μέρη του υλικού επειδή η XRD είναι μια μέθοδος χύδην ενώ η XPS είναι μια μέθοδος επιφάνειας που προσεγγίζει μόνο μερικά νανόμετρα.Το φάσμα O 1s χωρίζεται σε δύο κορυφές στα 533 (22,2%) και 530,4 eV (77,8%).Το πρώτο αντιστοιχεί σε ΟΗ και το δεύτερο σε δεσμούς οξυγόνου στο πλέγμα στο WO.Η παρουσία λειτουργικών ομάδων ΟΗ είναι σύμφωνη με τις ιδιότητες ενυδάτωσης του HWO.
Πραγματοποιήθηκε επίσης ανάλυση FTIR σε αυτά τα δύο δείγματα για να εξεταστεί η παρουσία λειτουργικών ομάδων και συντονισμένων μορίων νερού στην ένυδρη δομή HWO.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το δείγμα HWO-50% C76 και τα αποτελέσματα FT-IR HWO φαίνονται ίδια λόγω της παρουσίας HWO, αλλά η ένταση των κορυφών διαφέρει λόγω διαφορετικών ποσοτήτων δείγματος που χρησιμοποιούνται κατά την προετοιμασία για ανάλυση (Εικ. 5α ).HWO-50% C76 Εμφανίζονται όλες οι κορυφές φουλερενίου 24 εκτός από την κορυφή οξειδίου του βολφραμίου.Αναλυτικά στο σχ.Το 5α δείχνει ότι και τα δύο δείγματα παρουσιάζουν μια πολύ ισχυρή ευρεία ζώνη στα ~710/cm, που αποδίδεται στους κραδασμούς τάνυσης OWO στη δομή πλέγματος HWO, και έναν ισχυρό ώμο στα ~840/cm, που αποδίδεται στο WO.η αιχμηρή ζώνη στα ~1610/cm σχετίζεται με τη δόνηση κάμψης του ΟΗ και η ευρεία ζώνη απορρόφησης στα ~3400/cm σχετίζεται με τη δόνηση τάνυσης του ΟΗ στην ομάδα υδροξυλίου43.Αυτά τα αποτελέσματα είναι σύμφωνα με το φάσμα XPS στο Σχήμα 4β, όπου η λειτουργική ομάδα WO μπορεί να παρέχει ενεργές θέσεις για την αντίδραση VO2+/VO2+.
Ανάλυση FTIR των HWO και HWO-50% C76 (α) που δείχνει λειτουργικές ομάδες και μετρήσεις γωνίας επαφής (b, c).
Η ομάδα ΟΗ μπορεί επίσης να καταλύσει την αντίδραση VO2+/VO2+, αυξάνοντας έτσι την υδροφιλικότητα του ηλεκτροδίου, προάγοντας έτσι τους ρυθμούς διάχυσης και μεταφοράς ηλεκτρονίων.Το δείγμα HWO-50% C76 δείχνει μια επιπλέον κορυφή C76 όπως φαίνεται στο σχήμα.Οι κορυφές στα ~2905, 2375, 1705, 1607 και 1445 cm3 μπορούν να αντιστοιχιστούν στις δονήσεις τάνυσης CH, O=C=O, C=O, C=C και CO, αντίστοιχα.Είναι ευρέως γνωστό ότι οι λειτουργικές ομάδες οξυγόνου C=O και CO μπορούν να χρησιμεύσουν ως ενεργά κέντρα για τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής του βαναδίου.Για να δοκιμαστεί και να συγκριθεί η διαβρεξιμότητα των δύο ηλεκτροδίων, χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις γωνίας επαφής όπως φαίνεται στο Σχ. 5β, γ.Το ηλεκτρόδιο HWO απορροφά αμέσως τα σταγονίδια νερού, υποδεικνύοντας υπερυδροφιλικότητα λόγω των διαθέσιμων λειτουργικών ομάδων ΟΗ.Το HWO-50% C76 είναι πιο υδρόφοβο, με γωνία επαφής περίπου 135° μετά από 10 δευτερόλεπτα.Ωστόσο, στις ηλεκτροχημικές μετρήσεις, το ηλεκτρόδιο HWO-50%C76 βρέχτηκε πλήρως σε λιγότερο από ένα λεπτό.Οι μετρήσεις διαβρεξιμότητας είναι σύμφωνες με τα αποτελέσματα XPS και FTIR, υποδηλώνοντας ότι περισσότερες ομάδες OH στην επιφάνεια HWO την καθιστούν σχετικά πιο υδρόφιλη.
Οι αντιδράσεις VO2+/VO2+ των νανοσύνθετων HWO και HWO-C76 δοκιμάστηκαν και αναμενόταν ότι το HWO θα καταστείλει την έκλυση αερίου χλωρίου που συμβαίνει κατά τις αντιδράσεις VO2+/VO2+ σε μικτά οξέα, ενώ το C76 θα καταλύει περαιτέρω το επιθυμητό VO2+/VO2.Εναιωρήματα HWO που περιείχαν 10%, 30% και 50% C76 εφαρμόστηκαν σε ηλεκτρόδια UCC με συνολικό φορτίο περίπου 2 mg/cm2.
Όπως φαίνεται στο σχ.6, η κινητική της αντίδρασης VO2+/VO2+ στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου εξετάστηκε χρησιμοποιώντας CV σε μεικτούς όξινους ηλεκτρολύτες.Τα ρεύματα εμφανίζονται ως I/Ipa για να διευκολυνθεί η σύγκριση των ΔEp και Ipa/Ipc.Διάφοροι καταλύτες λαμβάνονται απευθείας από το σχήμα.Τα τρέχοντα δεδομένα μονάδας περιοχής φαίνονται στο Σχήμα 2S.Στο σχ.Το Σχήμα 6α δείχνει ότι το HWO αυξάνει ελαφρώς τον ρυθμό μεταφοράς ηλεκτρονίων της αντίδρασης οξειδοαναγωγής VO2+/VO2+ στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και καταστέλλει την αντίδραση της παρασιτικής έκλυσης χλωρίου.Ωστόσο, το C76 αυξάνει σημαντικά τον ρυθμό μεταφοράς ηλεκτρονίων και καταλύει την αντίδραση έκλυσης χλωρίου.Επομένως, ένα σύμπλεγμα με τη σωστή σύνθεση HWO και C76 θα πρέπει να έχει την καλύτερη δράση και την υψηλότερη ικανότητα να αναστέλλει την αντίδραση χλωρίου.Διαπιστώθηκε ότι μετά την αύξηση της περιεκτικότητας σε C76, η ηλεκτροχημική δραστηριότητα του ηλεκτροδίου βελτιώθηκε, όπως αποδεικνύεται από τη μείωση της ΔEp και την αύξηση της αναλογίας Ipa/Ipc (Πίνακας S3).Αυτό επιβεβαιώθηκε επίσης από τις τιμές RCT που εξήχθησαν από το διάγραμμα Nyquist στο Σχ. 6δ (πίνακας S3), όπου διαπιστώθηκε ότι οι τιμές RCT μειώθηκαν με την αύξηση της περιεκτικότητας σε C76.Αυτά τα αποτελέσματα είναι επίσης συνεπή με τη μελέτη του Lee στην οποία η προσθήκη μεσοπορώδους άνθρακα στο μεσοπορώδες WO3 βελτίωσε την κινητική μεταφοράς φορτίου στο VO2+/VO2+35.Αυτό υποδηλώνει ότι μια θετική αντίδραση μπορεί να εξαρτάται περισσότερο από την αγωγιμότητα του ηλεκτροδίου (δεσμός C=C)18,24,35,36,37.Λόγω της αλλαγής στη γεωμετρία συντονισμού μεταξύ [VO(H2O)5]2+ και [VO2(H2O)4]+, το C76 μπορεί επίσης να μειώσει την υπερένταση απόκρισης μειώνοντας την ενέργεια των ιστών.Ωστόσο, αυτό μπορεί να μην είναι δυνατό με τα ηλεκτρόδια HWO.
(α) Κυκλική βολταμετρική συμπεριφορά σύνθετων υλικών UCC και HWO-C76 με διαφορετικές αναλογίες HWO:C76 σε αντιδράσεις VO2+/VO2+ σε 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl ηλεκτρολύτη (σε ν = 5 mV/s).(β) Randles-Sevchik και (γ) Nicholson's VO2+/VO2+ μέθοδος για την εκτίμηση της απόδοσης διάχυσης και τη λήψη τιμών k0 (d).
Όχι μόνο το HWO-50% C76 παρουσίαζε σχεδόν την ίδια ηλεκτροκαταλυτική δράση με το C76 για την αντίδραση VO2+/VO2+, αλλά, πιο ενδιαφέρον, κατέστειλε επιπλέον την έκλυση αερίου χλωρίου σε σύγκριση με το C76, όπως φαίνεται στο σχήμα.6α, εκτός από το ότι δείχνει το μικρότερο ημικύκλιο στο σχ.6 g (χαμηλότερο RCT).Το C76 έδειξε υψηλότερη φαινομενική Ipa/Ipc από το HWO-50% C76 (Πίνακας S3), όχι λόγω βελτιωμένης αναστρεψιμότητας της αντίδρασης, αλλά λόγω επικάλυψης με την κορυφή μείωσης του χλωρίου στα 1,2 V σε σύγκριση με το SHE.Η καλύτερη απόδοση του HWO-50% C76 αποδίδεται στη συνέργεια μεταξύ του αρνητικά φορτισμένου εξαιρετικά αγώγιμου C76 και της υψηλής διαβρεξιμότητας και καταλυτικών λειτουργιών του W-OH στο HWO.Ενώ η λιγότερη εκπομπή χλωρίου θα βελτιώσει την απόδοση φόρτισης της πλήρους κυψέλης, η βελτιωμένη κινητική θα αυξήσει την απόδοση της τάσης πλήρους κυψέλης.
Σύμφωνα με την εξίσωση S1, για μια σχεδόν αναστρέψιμη (σχετικά αργή μεταφορά ηλεκτρονίων) αντίδραση που ελέγχεται με διάχυση, το ρεύμα αιχμής (IP) εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων (n), την περιοχή του ηλεκτροδίου (A), τον συντελεστή διάχυσης (D), τον αριθμό συντελεστή μεταφοράς ηλεκτρονίων (α) και ταχύτητα σάρωσης (ν).Προκειμένου να μελετηθεί η ελεγχόμενη από τη διάχυση συμπεριφορά των υλικών που δοκιμάστηκαν, σχεδιάστηκε η σχέση μεταξύ IP και ν1/2 και φαίνεται στο Σχ. 6β.Δεδομένου ότι όλα τα υλικά παρουσιάζουν γραμμική σχέση, η αντίδραση ελέγχεται με διάχυση.Εφόσον η αντίδραση VO2+/VO2+ είναι σχεδόν αναστρέψιμη, η κλίση της γραμμής εξαρτάται από τον συντελεστή διάχυσης και την τιμή του α (εξίσωση S1).Λόγω του σταθερού συντελεστή διάχυσης (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52, η διαφορά στην κλίση γραμμής υποδεικνύει άμεσα διαφορετικές τιμές του α και επομένως διαφορετικούς ρυθμούς μεταφοράς ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, με C76 και HWO -50 % C76, με τις πιο απότομες κλίσεις (υψηλότερος ρυθμός μεταφοράς ηλεκτρονίων).
Οι υπολογισμένες κλίσεις χαμηλής συχνότητας Warburg (W) που εμφανίζονται στον Πίνακα S3 (Εικ. 6δ) έχουν τιμές κοντά στο 1 για όλα τα υλικά, υποδεικνύοντας τέλεια διάχυση σωματιδίων οξειδοαναγωγής και επιβεβαιώνοντας τη γραμμική συμπεριφορά του IP έναντι του ν1/2 για το CV.Μετρήσεις .Για το HWO-50% C76, η κλίση Warburg αποκλίνει από τη μονάδα στο 1,32, υποδηλώνοντας μια συμβολή όχι μόνο από την ημι-άπειρη διάχυση των αντιδρώντων (VO2+), αλλά και πιθανώς τη συμπεριφορά λεπτής στιβάδας στη συμπεριφορά διάχυσης λόγω του πορώδους του ηλεκτροδίου.
Για να αναλυθεί περαιτέρω η αναστρεψιμότητα (ρυθμός μεταφοράς ηλεκτρονίων) της αντίδρασης οξειδοαναγωγής VO2+/VO2+, χρησιμοποιήθηκε επίσης η μέθοδος οιονεί αναστρέψιμης αντίδρασης Nicholson για τον προσδιορισμό της τυπικής σταθεράς ταχύτητας k041,42.Αυτό γίνεται σχεδιάζοντας την αδιάστατη κινητική παράμετρο Ψ ως συνάρτηση του ΔEp ως συνάρτηση του ν−1/2 χρησιμοποιώντας την εξίσωση S2.Ο Πίνακας S4 δείχνει τις προκύπτουσες τιμές Ψ για κάθε υλικό ηλεκτροδίου.Σχεδιάστε τα αποτελέσματα (Εικόνα 6γ) για να λάβετε k0 × 104 cm/s (γραμμένο δίπλα σε κάθε σειρά και παρουσιάζεται στον Πίνακα S4) χρησιμοποιώντας την εξίσωση S3 για την κλίση κάθε γραφήματος.Το HWO-50% C76 βρέθηκε να έχει την υψηλότερη κλίση (Εικ. 6c) και επομένως την υψηλότερη τιμή k0 2,47 × 10–4 cm/s.Αυτό σημαίνει ότι αυτό το ηλεκτρόδιο παρέχει την ταχύτερη κινητική σύμφωνα με τα αποτελέσματα CV και EIS στα Σχήματα 6α και δ και στον Πίνακα S3.Επιπλέον, οι τιμές k0 λήφθηκαν επίσης από τα διαγράμματα Nyquist (Εικ. 6δ) της Εξίσωσης S4 χρησιμοποιώντας τις τιμές RCT (Πίνακας S3).Αυτά τα αποτελέσματα k0 από το EIS συνοψίζονται στον Πίνακα S4 και δείχνουν επίσης ότι το HWO-50% C76 παρουσιάζει τον υψηλότερο ρυθμό μεταφοράς ηλεκτρονίων λόγω της συνεργιστικής επίδρασης.Παρόλο που η τιμή του k0 διαφέρει λόγω της διαφορετικής προέλευσης κάθε μεθόδου, εξακολουθεί να δείχνει την ίδια τάξη μεγέθους και να δείχνει συνέπεια.
Για να κατανοήσουμε πλήρως την εξαιρετική κινητική που μπορεί να επιτευχθεί, είναι σημαντικό να συγκρίνετε το βέλτιστο υλικό ηλεκτροδίων με μη μονωμένα ηλεκτρόδια UCC και TCC.Για την αντίδραση VO2+/VO2+, το HWO-C76 όχι μόνο έδειξε το χαμηλότερο ΔEp και καλύτερη αντιστρεψιμότητα, αλλά επίσης κατέστειλε σημαντικά την αντίδραση έκλυσης παρασιτικού χλωρίου σε σύγκριση με το TCC, όπως υποδεικνύεται από μια σημαντική πτώση ρεύματος στα 1,45 V σε σύγκριση με το OHA (Εικ. 7α).Όσον αφορά τη σταθερότητα, υποθέσαμε ότι το HWO-50% C76 είναι φυσικά σταθερό επειδή ο καταλύτης αναμίχθηκε με ένα συνδετικό PVDF και στη συνέχεια εφαρμόστηκε στα ηλεκτρόδια από ύφασμα άνθρακα.Σε σύγκριση με τα 50 mV για το UCC, το HWO-50% C76 έδειξε μια μετατόπιση κορυφής 44 mV μετά από 150 κύκλους (ρυθμός αποικοδόμησης 0,29 mV/κύκλος) (Εικόνα 7β).Μπορεί να μην είναι μεγάλη διαφορά, αλλά η κινητική των ηλεκτροδίων UCC είναι πολύ αργή και υποβαθμίζεται με την ανακύκλωση, ειδικά για την οπίσθια αντίδραση.Αν και η αναστρεψιμότητα του TCC είναι πολύ καλύτερη από αυτή του UCC, το TCC βρέθηκε να έχει μεγάλη μετατόπιση 73 mV μετά από 150 κύκλους, που μπορεί να οφείλεται στη μεγάλη ποσότητα χλωρίου που απελευθερώνεται από την επιφάνειά του.Για να διασφαλιστεί ότι ο καταλύτης προσκολλάται καλά στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου.Όπως μπορεί να φανεί σε όλα τα ηλεκτρόδια που δοκιμάστηκαν, ακόμη και εκείνα χωρίς υποστηριζόμενους καταλύτες παρουσιάζουν ποικίλους βαθμούς αστάθειας ανακύκλωσης, υποδηλώνοντας ότι οι αλλαγές στον διαχωρισμό κορυφής κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης οφείλονται στην απενεργοποίηση υλικού λόγω χημικών αλλαγών και όχι στον διαχωρισμό του καταλύτη.Επίσης, εάν μια μεγάλη ποσότητα σωματιδίων καταλύτη έπρεπε να διαχωριστεί από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου, αυτό θα οδηγούσε σε σημαντική αύξηση του διαχωρισμού κορυφής (όχι μόνο κατά 44 mV), καθώς το υπόστρωμα (UCC) είναι σχετικά ανενεργό για το VO2+/VO2+ αντίδραση οξειδοαναγωγής.
Σύγκριση του CV (α) και της σταθερότητας της αντίδρασης οξειδοαναγωγής VO2+/VO2+ (β) του βέλτιστου υλικού ηλεκτροδίου σε σχέση με το CCC.Στον ηλεκτρολύτη 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl, όλα τα CV είναι ίσα με ν = 5 mV/s.
Για να αυξηθεί η οικονομική ελκυστικότητα της τεχνολογίας VRFB, η βελτίωση και η κατανόηση της κινητικής της αντίδρασης οξειδοαναγωγής του βαναδίου είναι απαραίτητη για την επίτευξη υψηλής ενεργειακής απόδοσης.Παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά HWO-C76 και μελετήθηκε η ηλεκτροκαταλυτική τους επίδραση στην αντίδραση VO2+/VO2+.Το HWO έδειξε μικρή κινητική ενίσχυση αλλά κατέστειλε σημαντικά την έκλυση χλωρίου σε μεικτούς όξινους ηλεκτρολύτες.Διάφορες αναλογίες HWO:C76 χρησιμοποιήθηκαν για την περαιτέρω βελτιστοποίηση της κινητικής των ηλεκτροδίων που βασίζονται σε HWO.Η αύξηση της περιεκτικότητας σε C76 σε HWO μπορεί να βελτιώσει την κινητική μεταφοράς ηλεκτρονίων της αντίδρασης VO2+/VO2+ στο τροποποιημένο ηλεκτρόδιο, μεταξύ των οποίων το HWO-50% C76 είναι το καλύτερο υλικό επειδή μειώνει την αντίσταση μεταφοράς φορτίου και καταστέλλει περαιτέρω την έκλυση αερίου χλωρίου σε σύγκριση με C76.και TCC απελευθερώνονται.Αυτό οφειλόταν στο συνεργιστικό αποτέλεσμα μεταξύ του υβριδισμού C=C sp2, των λειτουργικών ομάδων ΟΗ και W-OH.Ο ρυθμός αποικοδόμησης του HWO-50% C76 βρέθηκε ότι είναι 0,29 mV/κύκλο υπό πολλαπλούς κύκλους, ενώ το UCC και το TCC είναι 0,33 mV/κύκλο και 0,49 mV/κύκλο αντίστοιχα, καθιστώντας το πολύ σταθερό σε μεικτούς όξινους ηλεκτρολύτες.Τα παρουσιαζόμενα αποτελέσματα εντοπίζουν επιτυχώς υλικά ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης για την αντίδραση VO2+/VO2+ με γρήγορη κινητική και υψηλή σταθερότητα.Αυτό θα αυξήσει την τάση εξόδου, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση ισχύος του VRFB, μειώνοντας έτσι το κόστος της μελλοντικής εμπορευματοποίησής του.
Τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιούνται ή/και αναλύονται στην τρέχουσα μελέτη είναι διαθέσιμα από τους αντίστοιχους συγγραφείς κατόπιν εύλογου αιτήματος.
Luderer G. et al.Εκτίμηση αιολικής και ηλιακής ενέργειας σε παγκόσμια σενάρια ενέργειας χαμηλών εκπομπών άνθρακα: Εισαγωγή.Ενεργειακή Οικονομία.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. and Kim, H. Ανάλυση της επίδρασης της εναπόθεσης MnO2 στην απόδοση των μπαταριών ροής οξειδοαναγωγής μαγγανίου βαναδίου.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.165(5), Α952-Α956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA and Walsh, FK Dynamic unit cell model για μπαταρία οξειδοαναγωγικής ροής αποκλειστικά βαναδίου.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.158(6), Α671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA και Mench, MM Ένα επιτόπιο μοντέλο μέτρησης και επαλήθευσης κατανομής δυναμικού για μια μπαταρία ροής οξειδοαναγωγής αποκλειστικά βαναδίου.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.163(1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. and Suzuki, T. Μοντελοποίηση και προσομοίωση μιας μπαταρίας οξειδοαναγωγής βαναδίου με ένα διεσπαρμένο πεδίο ροής για τη βελτιστοποίηση της δομής του ηλεκτροδίου.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. and Skillas-Kazakos, M. Modification of Graphite Electrode Material for Application in Vanadium Redox Batteries – I. Θερμική επεξεργασία.ηλεκτροχημεία.Acta 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H., and Chen, J. Προχωρά στα υλικά ηλεκτροδίων για τη βελτίωση της πυκνότητας ισχύος σε μπαταρίες ροής βαναδίου (VFBs).J. Energy Chemistry.27(5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et αϊ.Κυψέλη ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου υψηλής απόδοσης με βελτιστοποιημένη διαμόρφωση ηλεκτροδίων και επιλογή μεμβράνης.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.159(8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., and Yang, K. Σύνθετα ηλεκτρόδια καταλύτη νανοσωλήνων άνθρακα με υποστήριξη τσόχας άνθρακα για εφαρμογές μπαταριών οξειδοαναγωγής βαναδίου.J. Τροφοδοτικό.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y., and Kwon, Y. Επίδραση του θειικού βισμούθιου που εναποτίθεται σε οξινισμένα CNTs στην απόδοση των μπαταριών ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.166(12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.Περίμενε.Ενεργά ηλεκτρόδια τροποποιημένα με νανοσωλήνες άνθρακα πλατίνας/πολλαπλών τοιχωμάτων για μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Όμως, οι S. et al.Η μπαταρία ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου χρησιμοποιεί ηλεκτροκαταλύτες διακοσμημένους με νανοσωλήνες άνθρακα με πρόσμιξη αζώτου που προέρχονται από οργανομεταλλικά ικριώματα.J. Ηλεκτροχημεία.κοινωνία.165(7), Α1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, Ρ. et αϊ.Νανοφύλλα οξειδίου του γραφενίου ως εξαιρετικά ηλεκτροχημικά ενεργά υλικά για ζεύγη οξειδοαναγωγής VO2+/ και V2+/V3+ για μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου.Carbon 49(2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Ζ. et αϊ.Εξαιρετική ηλεκτροχημική απόδοση της τσόχας γραφίτη τροποποιημένης με γραφένιο για μπαταρίες οξειδοαναγωγής βαναδίου.J. Τροφοδοτικό.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. και Santamaria R. Μεμβράνες νανοτοιχώματος άνθρακα ως υλικά ηλεκτροδίων νανοδομής σε μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου.Nano Energy 1(6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J. και Yung H. Τρισδιάστατη τσόχα μεσοπορώδους άνθρακα τροποποιημένης με γραφένιο για μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου υψηλής απόδοσης.ηλεκτροχημεία.Πράξη 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).