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U costu relativamente altu di e batterie redox all-vanadium flow-through (VRFB) limita u so usu generalizatu.A migliurà a cinetica di e reazzione elettrochimica hè necessaria per aumentà a putenza specifica è l'efficienza energetica di u VRFB, riducendu cusì u costu di kWh di u VRFB.In questu travagliu, nanoparticelle di ossidu di tungstenu idratatu (HWO) sintetizzati idrotermalmente, C76 è C76 / HWO, sò stati dipositati nantu à elettrodi di tela di carbone è pruvati cum'è elettrocatalizzatori per a reazione redox VO2 + / VO2 +.Microscopia elettronica a scansione di emissioni di campu (FESEM), spettroscopia di raghji X dispersiva d'energia (EDX), microscopia elettronica di trasmissione ad alta risoluzione (HR-TEM), diffrazione di raghji X (XRD), spettroscopia di fotoelettroni di raghji X (XPS), spettroscopia di trasformazione di Fourier infrarossa (FTIR) è misurazioni d'angolo di cuntattu.Hè statu truvatu chì l'aghjunzione di fullereni C76 à HWO pò migliurà a cinetica di l'elettrodu aumentendu a conduttività elettrica è furnisce gruppi funziunali ossidati nantu à a so superficia, prumove cusì a reazione redox VO2 + / VO2 +.U compostu HWO / C76 (50% in peso C76) hè statu a megliu scelta per a reazione VO2 + / VO2 + cù ΔEp di 176 mV, mentre chì u tela di carbone senza trattatu (UCC) era 365 mV.Inoltre, u compostu HWO / C76 hà dimustratu un effettu inhibitore significativu nantu à a reazione di l'evoluzione di u cloru parasiticu per via di u gruppu funziunale W-OH.
L'intensa attività umana è a rapida rivoluzione industriale anu purtatu à una dumanda di energia elettrica inarrestabile, chì cresce di circa 3% annu1.Per decennii, l'usu generalizatu di i combustibili fossili cum'è una fonte d'energia hà purtatu à emissioni di gasi di serra chì cuntribuiscenu à u riscaldamentu glubale, a contaminazione di l'acqua è di l'aria, minacciandu l'ecosistema interu.In u risultatu, a penetrazione di l'energia eolica è solare pulita è rinnuvevule hè prevista per ghjunghje à u 75% di l'electricità tutale da 20501. Tuttavia, quandu a parte di l'electricità da fonti rinnuvevuli supera u 20% di a generazione di l'electricità tutale, a reta diventa inestabile.
Trà tutti i sistemi di almacenamentu d'energia, cum'è a bateria di flussu redox di vanadiu hibridu2, a bateria di flussu redox di vanadium (VRFB) hà sviluppatu u più rapidamente per via di i so numerosi vantaghji è hè cunsideratu a megliu suluzione per u almacenamentu d'energia à longu andà (circa 30 anni).) Opzioni in cumminazione cù energia rinnuvevuli4.Questu hè dovutu à a separazione di a putenza è a densità di energia, a risposta rapida, a longa vita di serviziu, è un costu annuale relativamente bassu di $ 65 / kWh paragunatu à $ 93-140 / kWh per e batterie Li-ion è piombo-acidu è 279-420 $ US per kWh.batteria rispettivamente 4.
Tuttavia, a so cummercializazione à grande scala hè sempre limitata da i so costi di capitale relativamente elevati di u sistema, principalmente per via di stacks di cellule4,5.Cusì, a migliurà a prestazione di stack aumentendu a cinetica di e duie reazioni di mezzu elementi pò riduce a dimensione di stack è cusì riduce u costu.Dunque, u trasferimentu rapidu di l'elettroni à a superficia di l'elettrodu hè necessariu, chì dipende da u disignu, a cumpusizioni è a struttura di l'elettrodu è esige una ottimisazione attenta6.Malgradu a bona stabilità chimica è elettrochimica è a bona conduttività elettrica di l'elettrodi di carbone, a so cinetica micca trattata hè lenta per l'absenza di gruppi funzionali di l'ossigenu è l'idrofilia7,8.Per quessa, diversi electrocatalysts sò cumminati cù l'elettrodi basati in carbonu, in particulare nanostrutture di carbone è ossidi di metalli, per migliurà a cinetica di i dui elettrodi, aumentando cusì a cinetica di l'elettrodu VRFB.
In più di u nostru travagliu precedente nantu à C76, avemu prima infurmatu l'attività elettrocatalitica eccellente di stu fullerene per VO2 + / VO2 +, trasferimentu di carica, paragunatu à u tela di carbone trattatu termicamente è micca trattatu.A resistenza hè ridutta da 99,5% è 97%.A prestazione catalitica di i materiali di carbone per a reazione VO2 + / VO2 + paragunata à C76 hè mostrata in a Tabella S1.Per d 'altra banda, parechji ossidi di metalli cum'è CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 è WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37 sò stati utilizati per via di a so umidità aumentata è di l'abbundante funziunalità di l'ossigenu., 38. gruppu.L'attività catalitica di sti ossidi di metalli in a reazione VO2 + / VO2 + hè presentata in Table S2.WO3 hè stata aduprata in un numeru significativu di travaglii per via di u so prezzu bassu, alta stabilità in i medii acidi, è alta attività catalitica31,32,33,34,35,36,37,38.Tuttavia, a migliione di a cinetica catodica per via di WO3 hè insignificante.Per migliurà a conduttività di WO3, l'effettu di l'usu di l'ossidu di tungstenu ridutta (W18O49) nantu à l'attività catodica hè statu pruvatu38.L'ossidu di tungstenu idratatu (HWO) ùn hè mai statu pruvatu in l'applicazioni VRFB, ancu s'ellu mostra una attività aumentata in l'applicazioni di supercapacitor per via di una diffusione di cationi più veloce cumparatu cù WOx39,40 anidru.A batteria di u flussu redox di vanadiu di a terza generazione usa un elettrolitu àcitu mistu cumpostu di HCl è H2SO4 per migliurà u rendiment di a bateria è migliurà a solubilità è a stabilità di l'ioni di vanadiu in l'elettrolitu.In ogni casu, a reazzione di l'evoluzione di u cloru parassita hè diventata unu di i disadvantages di a terza generazione, cusì a ricerca di modi per inibisce a reazzione di valutazione di u cloru hè diventata u focu di parechji gruppi di ricerca.
Quì, i testi di reazione VO2 + / VO2 + sò stati realizati nantu à i composti HWO / C76 dipositati nantu à elettrodi di tela di carbone per truvà un equilibriu trà a conduttività elettrica di i composti è a cinetica redox di a superficia di l'elettrodu suppressendu l'evoluzione di u cloru parassiticu.risposta (CER).Nanoparticule di ossidu di tungstenu idratatu (HWO) sò stati sintetizzati da un metudu idrotermale simplice.L'esperimenti sò stati realizati in un elettrolitu d'acidu mistu (H2SO4 / HCl) per simulà a terza generazione VRFB (G3) per a praticità è per investigà l'effettu di HWO nantu à a reazione di l'evoluzione di u cloru parasiticu.
Vanadium (IV) sulfate idrato (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), acidu sulfuric (H2SO4), acidu cloridrico (HCl), dimetilformamide (DMF, Sigma-Aldrich), polyvinylidene fluorure (PVDF, Sigma)-Aldrich), sodium Tungsten oxide dihydrate, 4 Sigma-92W hydrophild, cloruro di cloruro di cloruro di carbonu (Aldrich) AT (Fuel Cell Store) sò stati usati in stu studiu.
L'ossidu di tungstenu idratatu (HWO) hè statu preparatu da a reazione idrotermale 43 in quale 2 g di u sal Na2WO4 hè stata dissolta in 12 ml di H2O per dà una suluzione incolore, dopu 12 ml di 2 M HCl hè aghjuntu goccia per dà una suspensione gialla pallida.U slurry hè stata postu in un autoclave d'acciaio inossidabile rivestitu di Teflon è mantinutu in un fornu à 180 ° C. per 3 ore per a reazzione idrotermale.U residuu hè statu cullatu per filtrazione, lavatu 3 volte cù etanolu è acqua, seccu in un fornu à 70 ° C per ~ 3 ore, è dopu trituratu per dà un powder HWO blu-grisgiu.
L'elettrodi di tela di carbone (CCT) ottenuti (non trattati) sò stati utilizati cum'è o trattati termicamente in un fornu tubu à 450 ° C in aria cù una velocità di riscaldamentu di 15 ºC / min per 10 ore per ottene CCs trattati (TCC).cum'è discrittu in l'articulu precedente 24.UCC è TCC sò stati tagliati in elettrodi circa 1,5 cm di larghezza è 7 cm di longu.Suspensioni di C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 è HWO-50% C76 sò stati preparati aghjunghjendu 20 mg.% (~ 2.22 mg) di PVDF binder à ~ 1 ml DMF è sonicated per 1 ora per migliurà l'uniformità.2 mg di composti C76, HWO è HWO-C76 sò stati applicati in sequenza à una zona di l'elettrodu attivu UCC di circa 1,5 cm2.Tutti i catalizzatori sò stati caricati nantu à l'elettrodi UCC è TCC hè stata utilizata solu per scopi di paraguni, postu chì u nostru travagliu precedente hà dimustratu chì u trattamentu termale ùn era micca necessariu24.La sédimentation de l'impression a été obtenue en brossant 100 µl de suspension (charge 2 mg) pour un effet plus uniforme.Allora tutti l'elettrodi sò stati siccati in un fornu à 60 ° C.L'elettrodi sò misurati in avanti è in daretu per assicurà una carica precisa di stock.Per avè una certa zona geomètrica (~ 1,5 cm2) è impedisce l'aumentu di l'elettrolitu di vanadiu à l'elettrodu per via di l'effettu capillare, una fina capa di paraffina hè stata appiicata nantu à u materiale attivu.
A microscopia elettronica à scansione di emissioni di campu (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60, 5 kV) hè stata aduprata per osservà a morfologia di a superficia HWO.Un spettrometru di raghji X dispersive d'energia equipatu di Feii8SEM (EDX, Zeiss Inc.) hè stata utilizata per cartografia elementi HWO-50% C76 nantu à l'elettrodi UCC.Un microscopiu elettronicu di trasmissione à alta risoluzione (HR-TEM, JOEL JEM-2100) chì opera à una tensione accelerante di 200 kV hè stata utilizata per imagine particelle HWO di risoluzione più alta è anelli di diffrazione.U software Crystallography Toolbox (CrysTBox) usa a funzione ringGUI per analizà u mudellu di diffrazione di l'anellu HWO è paragunate i risultati cù u mudellu XRD.La struttura e la grafitizzazione di UCC e TCC sono state analizzate mediante diffrazione di raggi X (XRD) a una velocità di scansione di 2,4 °/min da 5 ° a 70 ° con Cu Kα (λ = 1,54060 Å) utilizzando un diffrattometro a raggi X Panalytical (Modèle 3600).XRD hà dimustratu a struttura cristallina è a fase di HWO.U software PANalytical X'Pert HighScore hè statu utilizatu per currisponde à i picchi HWO à e carte di l'ossidu di tungstenu dispunibili in a basa di dati45.I risultati HWO sò stati paragunati cù i risultati TEM.A cumpusizioni chimica è u statu di i campioni HWO sò stati determinati da spettroscopia di fotoelettroni X-ray (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).U software CASA-XPS (v 2.3.15) hè stata utilizata per a deconvoluzione di punta è l'analisi di dati.Per determinà i gruppi funzionali di a superficia di HWO è HWO-50% C76, e misurazioni sò state fatte cù spettroscopia infrared di trasformazione di Fourier (FTIR, spettrometru Perkin Elmer, utilizendu KBr FTIR).I risultati sò stati paragunati cù i risultati XPS.Misurazioni di l'angolo di cuntattu (KRUSS DSA25) sò stati ancu utilizati per caratterizà a wettability di l'elettrodi.
Per tutte e misurazioni elettrochimiche, hè stata utilizata una stazione di travagliu Biologic SP 300.A voltammometria ciclica (CV) è a spettroscopia d'impedenza elettrochimica (EIS) sò state aduprate per studià a cinetica di l'elettrodu di a reazione redox VO2 + / VO2 + è l'effettu di a diffusione di reagenti (VOSO4(VO2+)) nantu à a velocità di reazione.I dui metudi anu utilizatu una cellula di trè elettrodi cun una concentrazione elettrolitica di 0,1 M VOSO4 (V4+) in 1 M H2SO4 + 1 M HCl (mistura di acidi).Tutti i dati elettrochimici presentati sò IR corretti.Un elettrodu di calomel saturatu (SCE) è una bobina di platinu (Pt) sò stati utilizati cum'è l'elettrodu di riferimentu è contru, rispettivamente.Per CV, scan rates (ν) di 5, 20 è 50 mV / s sò stati applicati à a finestra potenziale VO2 + / VO2 + per (0-1) V vs.Per studià a ritenzione di l'attività di l'elettrodi, i CV ciclichi ripetuti sò stati realizati à ν 5 mV/s per UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO è UCC-HWO-50% C76.Per e misurazioni EIS, a gamma di frequenza di a reazione redox VO2 + / VO2 + era 0.01-105 Hz, è a perturbazione di tensione à a tensione di circuitu apertu (OCV) era 10 mV.Ogni esperimentu hè stata ripetuta 2-3 volte per assicurà a cunsistenza di i risultati.I custanti di ritmu eterogeneu (k0) sò stati ottenuti da u metudu Nicholson46,47.
L'ossidu di tungstenu idratatu (HVO) hè stata sintetizzata cù successu da u metudu idrotermale.L'immagine SEM in fig.1a mostra chì l'HWO dipositu hè custituitu da clusters di nanoparticule cù dimensioni in a gamma di 25-50 nm.
U mudellu di diffrazione di i raggi X di HWO mostra picchi (001) è (002) à ~ 23,5 ° è ~ 47,5 °, rispettivamente, chì sò caratteristici di WO2.63 non stoichiometric (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21.4 Å =, α = α β, b = Å α, β = α = α β 90 °), chì currisponde à u so culore blu chjaru (Fig. 1b) 48,49.Altri picchi à circa 20,5 °, 27,1 °, 28,1 °, 30,8 °, 35,7 °, 36,7 ° è 52,7 ° sò stati assignati à (140), (620), (350), (720), (740), (560 °).) ) è (970) piani di diffrazione ortogonali à WO2.63, rispettivamente.U listessu mètudu sinteticu hè stata utilizata da Songara et al.43 per ottene un pruduttu biancu, chì hè stata attribuita à a prisenza di WO3(H2O)0.333.Tuttavia, in stu travagliu, per via di diverse cundizioni, un pruduttu blu-grigiu hè statu ottenutu, chì indica chì WO3(H2O)0.333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7.7 Å, α = β = γ = 90 °) è a forma ridotta di tungsten oxide.L'analisi semiquantitative utilizendu u software X'Pert HighScore hà dimustratu 26% WO3(H2O)0.333: 74% W32O84.Siccomu W32O84 hè custituitu da W6+ è W4+ (1.67: 1 W6+:W4+), u cuntenutu stimatu di W6+ è W4+ hè di circa 72% W6+ è 28% W4+, rispettivamente.L'imaghjini SEM, spettri XPS 1-second à u livellu di u nucleu, imagine TEM, spettri FTIR è spettri Raman di particelle C76 sò stati presentati in u nostru articulu precedente.Sicondu Kawada et al.,50,51 A diffrazione di raghji X di C76 dopu a rimuzione di u toluene dimustrava a struttura monoclinica di FCC.
L'imaghjini SEM in fig.Les figures 2a et b montrent que HWO et HWO-50%C76 ont été déposés avec succès sur et entre les fibres de carbone de l'électrode UCC.Carte di elementi EDX di tungstenu, carbone è ossigenu nantu à l'imaghjini SEM in a fig.2c sò mostrati in fig.2d-f chì indica chì u tungstenu è u carbone sò mischiati uniformemente (mostra una distribuzione simili) nantu à tutta a superficia di l'elettrodu è u compostu ùn hè micca dipositu uniformemente per via di a natura di u metudu di deposizione.
Immagini SEM di particelle HWO dipositate (a) è particelle HWO-C76 (b).A mappatura EDX nantu à HWO-C76 caricata in UCC utilizendu l'area in l'imagine (c) mostra a distribuzione di tungstenu (d), carbone (e) è ossigenu (f) in u sample.
HR-TEM hè stata utilizata per l'imaghjini d'altu ingrandimentu è l'infurmazioni cristalografiche (Figura 3).HWO mostra a morfologia nanocube cum'è mostra in Fig. 3a è più chjaramente in Fig. 3b.Ingrandendu u nanocube per a diffrazione di i zoni selezziunati, si pò visualizà a struttura di grating è i piani di diffrazione chì satisfacenu a lege di Bragg, cum'è mostra in Fig. 3c, chì cunfirma a cristalinità di u materiale.In l'inseritu à Fig. 3c mostra a distanza d 3.3 Å currispundenti à i piani di diffrazione (022) è (620) truvati in i fasi WO3(H2O)0.333 è W32O84, rispettivamente43,44,49.Questu hè coherente cù l'analisi XRD descrittu sopra (Fig. 1b) postu chì a distanza di u pianu di grating osservatu d (Fig. 3c) currisponde à u piccu XRD più forte in a mostra HWO.Anelli di mostra sò ancu mostrati in a fig.3d, induve ogni anellu currisponde à un pianu separatu.I piani WO3 (H2O) 0.333 è W32O84 sò culurati bianchi è blu, rispettivamente, è i so picchi XRD currispundenti sò ancu mostrati in a figura 1b.U primu anellu mostratu in u diagramma di l'anellu currisponde à u primu piccu marcatu in u mudellu di raghji X di u pianu di diffrazione (022) o (620).Da l'anelli (022) à (402), i valori d-spacing sò 3.30, 3.17, 2.38, 1.93, è 1.69 Å, coherente cù i valori XRD di 3.30, 3.17, 2, 45, 1.93.è 1,66 Å, chì hè uguali à 44, 45, rispettivamente.
(a) L'immagine HR-TEM di HWO, (b) mostra una immagine ingrandita.L'imaghjini di i piani di griglia sò mostrati in (c), l'inseritu (c) mostra una maghjina ingrandata di i piani è un pitch d di 0,33 nm chì currisponde à i piani (002) è (620).(d) U mudellu di l'anellu HWO chì mostra i piani assuciati cù WO3 (H2O) 0.333 (biancu) è W32O84 (blu).
L'analisi XPS hè stata realizata per determinà a chimica di a superficia è u statu d'ossidazione di u tungstenu (Figure S1 è 4).U spettru di scansione XPS larga gamma di l'HWO sintetizatu hè mostratu in Figura S1, chì indica a presenza di tungstenu.I spettri XPS narrow-scan di i livelli di core W 4f è O 1s sò mostrati in Figs.4a è b, rispettivamente.U spettru W 4f si divide in dui doppietti di spin-orbita chì currispondenu à l'energie di ligame di u statu d'ossidazione W.è W 4f7 / 2 à 36.6 è 34.9 eV sò caratteristiche di u statu W4 + di 40, rispettivamente.)0,333.I dati adattati mostranu chì i percentuali atomichi di W6+ è W4+ sò 85% è 15%, rispettivamente, chì sò vicini à i valori stimati da i dati XRD in cunsiderà e differenze trà i dui metudi.I dui metudi furniscenu infurmazioni quantitative cù poca precisione, in particulare XRD.Inoltre, sti dui metudi analizanu e diverse parti di u materiale perchè XRD hè un metudu di massa mentre XPS hè un metudu di superficia chì si avvicina solu à pocu nanometri.U spettru O 1s hè divisu in dui picchi à 533 (22,2%) è 530,4 eV (77,8%).U primu currisponde à OH, è u sicondu à i ligami d'ossigenu in u lattice in WO.A prisenza di gruppi funziunali OH hè coherente cù e proprietà di idratazione di HWO.
Un analisi FTIR hè statu ancu realizatu nantu à sti dui campioni per esaminà a prisenza di gruppi funziunali è e molécule d'acqua coordinate in a struttura HWO idratata.I risultati mostranu chì i risultati HWO-50% C76 è FT-IR HWO parevanu simili per a prisenza di HWO, ma l'intensità di i cimi differisce per a quantità di mostra utilizata in preparazione per l'analisi (Fig. 5a).) HWO-50% C76 mostra chì tutti i picchi, fora di u piccu di l'oxidu di tungstenu, sò in relazione cù fullerene 24. Detailed in fig.5a mostra chì i dui campioni presentanu una banda larga assai forte à ~ 710 / cm attribuita à l'oscillazioni di stretching OWO in a struttura di lattice HWO, cù una spalla forte à ~ 840 / cm attribuita à WO.Per l'allungamentu di vibrazioni, una banda affilata à circa 1610 / cm hè attribuita à vibrazioni di curvatura di OH, mentre chì una banda larga di assorbimentu à circa 3400 / cm hè attribuita à vibrazioni di stretching di OH in gruppi idrossilici43.Questi risultati sò cunsistenti cù i spettri XPS in Figs.4b, induve i gruppi funziunali WO ponu furnisce siti attivi per a reazione VO2 + / VO2 +.
Analisi FTIR di HWO è HWO-50% C76 (a), gruppi funziunali indicati è misure d'angolo di cuntattu (b, c).
U gruppu OH pò ancu catalizà a reazione VO2 + / VO2 +, mentri aumentendu l'idrofilia di l'elettrodu, favurendu cusì a velocità di diffusione è di trasferimentu di elettroni.Comu mostra, u sample HWO-50% C76 mostra un piccu supplementu per C76.I picchi à ~ 2905, 2375, 1705, 1607 è 1445 cm3 ponu esse attribuiti à e vibrazioni di stretching CH, O=C=O, C=O, C=C è CO, rispettivamente.Hè ben cunnisciutu chì i gruppi funziunali di l'ossigenu C = O è CO ponu serve com'è centri attivi per e reazzioni redox di vanadiu.Per pruvà è paragunà a wettability di i dui elettrodi, e misure di l'angulu di cuntattu sò state pigliate cum'è mostra in Fig. 5b, c.L'elettrodu HWO assorbe immediatamente gocce d'acqua, indicando superidrofilia dovuta ai gruppi funzionali OH disponibili.HWO-50% C76 hè più idrofobu, cù un angolo di cuntattu di circa 135 ° dopu à 10 seconde.Tuttavia, in misurazioni elettrochimiche, l'elettrodu HWO-50% C76 hè diventatu cumplettamente bagnatu in menu di un minutu.Le misure di bagnabilità sono coerenti con i risultati XPS e FTIR, indicando che più gruppi OH sulla superficie HWO la rende relativamente più idrofila.
E reazzioni VO2 + / VO2 + di i nanocompositi HWO è HWO-C76 sò stati pruvati è era previstu chì HWO supprime l'evoluzione di u cloru in a reazione VO2 + / VO2 + in acidu mistu, è C76 catalyzerà ancu a reazione redox desiderata VO2 + / VO2 +.%, 30% è 50% C76 in suspensioni HWO è CCC dipositu nantu à l'elettrodi cù una carica tutale di circa 2 mg/cm2.
Comu mostra in fig.6, a cinetica di a reazione VO2 + / VO2 + nantu à a superficia di l'elettrodu hè stata esaminata da CV in un elettrolitu àcitu mistu.I currenti sò indicati cum'è I / Ipa per fà un paragone faciule di ΔEp è Ipa / Ipc per i diversi catalizzatori direttamente nantu à u graficu.I dati di unità di l'area attuale sò mostrati in Figura 2S.Nantu à fig.A Figura 6a mostra chì HWO aumenta ligeramente a velocità di trasferimentu di l'elettroni di a reazione redox VO2 + / VO2 + nantu à a superficia di l'elettrodu è suppresse a reazione di l'evoluzione di u cloru parassiticu.Tuttavia, C76 aumenta significativamente a velocità di trasferimentu di l'elettroni è catalizza a reazione di evoluzione di cloru.Dunque, un compostu formulatu currettamente di HWO è C76 hè previstu di avè a megliu attività è a più grande capacità per inibisce a reazione di l'evoluzione di u cloru.Hè stata truvata chì dopu à l'aumentu di u cuntenutu di C76, l'attività elettrochimica di l'elettrodi hà migliuratu, cum'è pruvucatu da una diminuzione di ΔEp è un aumentu di u rapportu Ipa / Ipc (Table S3).Questu hè statu ancu cunfirmatu da i valori RCT estratti da a trama di Nyquist in Fig.Questi risultati sò ancu cunsistenti cù u studiu di Li, in quale l'aghjunzione di carbone mesoporous à mesoporous WO3 dimustrava una cinetica di trasferimentu di carica mejorata nantu à VO2+/VO2+35.Questu indica chì a reazzione diretta pò dipende più di a conduttività di l'elettrodu (C = C bond) 18, 24, 35, 36, 37. Questu pò ancu esse duvuta à un cambiamentu in a geometria di coordinazione trà [VO (H2O) 5] 2 + è [VO2 (H2O) 4] +, C76 reduces overvoltage di reazione riducendu l'energia di tissutu.Tuttavia, questu pò esse micca pussibule cù l'elettrodi HWO.
(a) Cumportamentu voltammetricu ciclicu (ν = 5 mV/s) di a reazione VO2 + / VO2 + di i compositi UCC è HWO-C76 cù diversi rapporti HWO:C76 in 0.1 M VOSO4 / 1 M H2SO4 + 1 M HCl electrolyte.(b) Randles-Sevchik è (c) Nicholson VO2 + / VO2 + mètudu à evaluate efficienza diffusion è ottene k0 (d) valori.
Ùn hè solu HWO-50% C76 chì mostrava quasi a stessa attività electrocatalytic cum'è C76 per a reazione VO2 + / VO2 +, ma, più interessante, hà ancu suppressatu l'evoluzione di u cloru cumparatu à C76, cum'è mostra in Fig.6d (RCT più bassu).C76 hà dimustratu un Ipa / Ipc apparente più altu ch'è HWO-50% C76 (Table S3), micca per via di a reversibilità di reazzione mejorata, ma per via di u piccu sovrapposizione di a reazione di riduzzione di cloru cù SHE à 1.2 V. U megliu rendimentu di HWO- U 50% C76 hè attribuitu à l'effettu sinergicu è altamente conduttivu di C76 è altamente catalizzatore. funziunalità in HWO.Meno emissione di cloru migliurà l'efficienza di carica di a cellula piena, mentre chì a cinetica mejorata migliurà l'efficienza di a tensione di a cellula piena.
Sicondu l'equazioni S1, per una reazzione quasi reversibile (trasferimentu d'elettroni relativamente lento) cuntrullata da diffusione, a corrente di punta (IP) dipende da u numeru di l'elettroni (n), l'area di l'elettrodi (A), u coefficient di diffusione (D), u numeru di coefficienti di trasferimentu d'elettroni (α) è a velocità di scanning (ν).Per studià u cumpurtamentu cuntrullatu di diffusione di i materiali pruvati, a relazione trà IP è ν1 / 2 hè stata tracciata è presentata in Fig.Siccomu tutti i materiali mostranu una relazione lineale, a reazione hè cuntrullata da diffusione.Siccomu a reazzione VO2+/VO2+ hè quasi-reversibile, a pendenza di a linea dipende da u coefficient di diffusione è da u valore di α (equazione S1).Siccomu u coefficient di diffusione hè custante (≈ 4 × 10–6 cm2/s) 52, a diffarenza in a pendenza di a linea indica direttamente diversi valori di α, è dunque a velocità di trasferimentu di l'elettroni nantu à a superficia di l'elettrodu, chì hè mostrata per C76 è HWO -50% C76 Pendenza più ripida (più alta velocità di trasferimentu di elettroni).
I pendii di Warburg (W) calculati per e frequenze basse mostrate in a Table S3 (Fig. 6d) anu valori vicinu à 1 per tutti i materiali, chì indicanu a diffusione perfetta di spezie redox è cunfirmendu u cumpurtamentu lineale di l'IP cumparatu à ν1 / 2. CV hè misuratu.Per HWO-50% C76, a pendenza di Warburg devia da 1 à 1,32, chì indica micca solu a diffusione semi-infinita di u reagentu (VO2 +), ma ancu una pussibuli cuntribuzione di u cumpurtamentu di a strata fina à u cumpurtamentu di diffusione per via di a porosità di l'elettrodu.
Per analizà ulteriormente a reversibilità (tassa di trasferimentu di l'elettroni) di a reazione redox VO2 + / VO2 +, u metudu di reazzione quasi reversibile Nicholson hè statu ancu utilizatu per determinà a constant rate standard k041.42.Questu hè fattu cù l'equazioni S2 per custruisce u paràmetru cineticu adimensionale Ψ, chì hè una funzione di ΔEp, cum'è una funzione di ν-1/2.Le tableau S4 montre les valeurs Ψ obtenues pour chaque matériau d'électrode.I risultati (Fig. 6c) sò stati tracciati per ottene k0 × 104 cm / s da a pendenza di ogni trama cù l'Equazione S3 (scritta vicinu à ogni fila è presentata in Table S4).HWO-50% C76 hè stata truvata per avè a più alta pendenza (Fig. 6c), cusì u valore massimu di k0 hè 2,47 × 10-4 cm / s.Questu significa chì questu elettrodu ghjunghje a cinetica più veloce, chì hè coherente cù i risultati CV è EIS in Fig. 6a è d è in Table S3.Inoltre, u valore di k0 hè statu ancu uttenutu da a trama di Nyquist (Fig. 6d) di l'Equazione S4 utilizendu u valore RCT (Table S3).Questi risultati k0 da EIS sò riassunti in a Tabella S4 è mostranu ancu chì HWO-50% C76 mostra a più alta velocità di trasferimentu di l'elettroni per via di l'effettu sinergicu.Ancu s'è i valori k0 sò diffirenti per via di e diverse origini di ogni metudu, anu sempre u listessu ordine di grandezza è mostranu a coherenza.
Per capiscenu cumplettamente l'eccellente cinetica ottenuta, hè impurtante paragunà i materiali di l'elettrodi ottimali cù l'elettrodi UCC è TCC senza rivestimentu.Per a reazione VO2 + / VO2 +, HWO-C76 ùn hà micca solu dimustratu u ΔEp più bassu è una megliu reversibilità, ma ancu suppressa significativamente a reazione di l'evoluzione di u cloru parasiticu cumparatu à TCC, cum'è misurata da a currente à 1.45 V relative à SHE (Fig. 7a).In termini di stabilità, avemu presumitu chì HWO-50% C76 era fisicamente stabile perchè u catalizzatore hè stata mischju cù un legante PVDF è dopu appiicatu à l'elettrodi di tela di carbone.HWO-50% C76 hà dimustratu un piccu shift di 44 mV (tassa di degradazione 0.29 mV / ciclu) dopu à 150 cicli cumparatu à 50 mV per UCC (Figura 7b).Questu pò esse micca una grande diferenza, ma a cinetica di l'elettrodi UCC hè assai lenta è degrada cù u ciculu, in particulare per e reazzioni inverse.Ancu s'è a reversibilità di TCC hè assai megliu cà quella di UCC, TCC hè stata truvata per avè un grande shift piccu di 73 mV dopu à 150 cicli, chì pò esse dovutu à a grande quantità di cloru furmatu nantu à a so superficia.cusì chì u catalyseur aderisce bè à a superficia di l'elettrodu.Comu pò esse vistu da tutti l'elettrodi testati, ancu l'elettrodi senza catalizzatori supportati mostranu varii gradi di instabilità ciclistica, chì suggerenu chì u cambiamentu di a separazione massima durante u ciclismu hè dovutu à a disattivazione di u materiale causata da cambiamenti chimichi piuttostu cà a separazione di catalizzatore.Inoltre, se una grande quantità di particeddi di catalizzatore anu da esse separati da a superficia di l'elettrodu, questu risultatu in un incrementu significativu di a separazione di piccu (micca solu 44 mV), postu chì u sustrato (UCC) hè relativamente inattivu per a reazione redox VO2 + / VO2 +.
Comparazione di u CV di u megliu materiale di l'elettrodu cumparatu cù UCC (a) è a stabilità di a reazione redox VO2 + / VO2 + (b).ν = 5 mV/s per tutti i CV in 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elettrolite.
Per aumentà l'attrattiva ecunomica di a tecnulugia VRFB, espansione è capiscenu a cinetica di reazzioni redox di vanadiu hè essenziale per ottene una alta efficienza energetica.I composti HWO-C76 sò stati preparati è u so effettu elettrocataliticu nantu à a reazione VO2 + / VO2 + hè statu studiatu.HWO hà dimustratu pocu rinfurzamentu cineticu in elettroliti acidi misti, ma hà suprimi significativamente l'evoluzione di u cloru.Diversi rapporti di HWO: C76 sò stati usati per ottimisà ancu più a cinetica di l'elettrodi basati in HWO.L'aumentu di C76 à HWO migliurà a cinetica di trasferimentu di l'elettroni di a reazione VO2 + / VO2 + nantu à l'elettrodu mudificatu, di quale HWO-50% C76 hè u megliu materiale perchè reduce a resistenza di trasferimentu di carica è suprime ancu u cloru cumparatu cù u depositu C76 è TCC..Questu hè dovutu à l'effettu sinergicu trà l'ibridazione C = C sp2, i gruppi funziunali OH è W-OH.U tassu di degradazione dopu à u ciculu ripetutu di HWO-50% C76 hè statu truvatu 0.29 mV / ciclu, mentre chì a rata di degradazione di UCC è TCC hè 0.33 mV / ciclu è 0.49 mV / ciclu, rispettivamente, facendu assai stabile.in elettroliti acidi misti.I risultati presentati identificanu bè i materiali di l'elettrodi d'alta prestazione per a reazione VO2 + / VO2 + cù cinetica rapida è alta stabilità.Questu aumenterà a tensione di output, aumentandu cusì l'efficienza energetica di u VRFB, riducendu cusì u costu di a so futura cummercializazione.
I datasets utilizati è / o analizati in u studiu attuale sò dispunibuli da i rispettivi autori nantu à una dumanda ragionevule.
Luderer G. et al.Stima di l'energia eolica è solare in Scenarii Globali di Energia Low-Carbon: Una Introduzione.risparmiu d'energia.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. & Kim, H. Analysis of the effect of MnO2 precipitation on the performance of a vanadium/manganese redox flow battery. Lee, HJ, Park, S. & Kim, H. Analysis of the effect of MnO2 precipitation on the performance of a vanadium/manganese redox flow battery.Lee, HJ, Park, S. è Kim, H. Analysis of the effect of MnO2 deposition on the performance of a vanadium manganese redox flow battery. Lee, HJ, Park, S. & Kim, H. MnO2 沉淀对钒/锰氧化还原液流电池性能影响的分析。 Lee, HJ, Park, S. & Kim, H. MnO2Lee, HJ, Park, S. è Kim, H. Analysis of the effect of MnO2 deposition on the performance of vanadium manganese redox flow batteries.J. Elettrochimica.Partitu Sucialista.165 (5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC Un mudellu di cellula unità dinamica per a bateria di flussu all-vanadium. Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC Un mudellu di cellula unità dinamica per a bateria di flussu all-vanadium.Shah AA, Tangirala R, Singh R, Wills RG.è Walsh FK Un mudellu dinamicu di a cellula elementaria di una bateria di flussu all-vanadium. Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC 全钒液流电池的动态单元电池模型。 Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA è Walsh, FC.Shah AA, Tangirala R, Singh R, Wills RG.è Walsh FK Model cellula dinamica di una batteria di flussu redox all-vanadium.J. Elettrochimica.Partitu Sucialista.158 (6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
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Tsushima, S. & Suzuki, T. Modelling and simulation of vanadium redox flow battery with interdigitated flow field for optimizing electrode architecture. Tsushima, S. & Suzuki, T. Modelling and simulation of vanadium redox flow battery with interdigitated flow field for optimizing electrode architecture.Tsushima, S. è Suzuki, T. Modelling and simulation of a flow-through vanadium redox battery with counter-polarized flow for optimization of electrode architecture. Tsushima, S., & Suzuki, T. Tsushima, S. & Suzuki, T. 叉指流场的叉指流场的Vanadium Oxide Reduction Liquid Stream Battery的Modeling and Simulation for Optimizing Electrode Structure.Tsushima, S. è Suzuki, T. Modelling and simulation of vanadium redox flow batteries with counter-pin flow fields for optimization of electrode structure.J. Elettrochimica.Partitu Sucialista.167 (2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. & Skyllas-Kazacos, M. Mudificazione di materiali di l'elettrodu di grafite per l'applicazione di a bateria di flussu di vanadium redox-I. Sun, B. & Skyllas-Kazacos, M. Mudificazione di materiali di l'elettrodu di grafite per l'applicazione di a bateria di flussu di vanadium redox-I.Sun, B. è Scyllas-Kazakos, M. Mudificazione di materiali di l'elettrodu di grafite per batterie redox di vanadium - I. Sun, B. & Skyllas-Kazacos, M. 石墨电极材料在钒氧化还原液流电池应用中的改性——I。 Sun, B. & Skyllas-Kazacos, M. Mudificazione di materiali electrode 石墨 in vanadium ossidazione riduzzione liquidu applicazione batterie--I.Sun, B. è Scyllas-Kazakos, M. Mudificazione di materiali di l'elettrodu di grafite per l'usu in batterie redox di vanadium - I.trattamentu termicu Electrochem.Acta 37 (7), 1253-1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, X., Zhang, H. & Chen, J. Prugressu nantu à i materiali elettrodi versu batterie di flussu di vanadiu (VFBs) cù a densità di putenza mejorata. Liu, T., Li, X., Zhang, H. & Chen, J. Prugressu nantu à i materiali elettrodi versu batterie di flussu di vanadiu (VFBs) cù a densità di putenza mejorata.Liu, T., Li, X., Zhang, H. è Chen, J. Prugressu in materiali electrode à batterie di flussu di vanadiu (VFB) cù a densità di putenza mejorata. Liu, T., Li, X., Zhang, H. & Chen, J. 提高功率密度的钒液流电池(VFB) 电极材料的进展。 Liu, T., Li, X., Zhang, H. & Chen, J.Liu, T., Li, S., Zhang, H. è Chen, J. Avanzate in Materiali Elettrodi per Batterie di Flussu Redox di Vanadium (VFB) cù Densità di Potenza Aumentata.J. Chimica di l'Energia.27 (5), 1292-1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al.Cella di flussu redox di vanadiu d'alta efficienza cù cunfigurazione di l'elettrodu ottimizzata è selezzione di membrana.J. Elettrochimica.Partitu Sucialista.159 (8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, C., Liu, J. & Yan, C. Carbon sentiu supportatu nanotubi di carbone catalysers electrode composite per l'applicazione di batterie di flussu di vanadium redox. Wei, G., Jia, C., Liu, J. & Yan, C. Carbon sentiu supportatu nanotubi di carbone catalysers electrode composite per l'applicazione di batterie di flussu di vanadium redox.Wei, G., Jia, Q., Liu, J. è Yang, K. Catalizzatori di l'elettrodi composti basati in nanotubi di carbone cù un sustrato di feltro di carbone per l'usu in una bateria redox di vanadium. Wei, G., Jia, C., Liu, J. & Yan, C.. Wei, G., Jia, C., Liu, J. & Yan, C. Carbon felt-loaded carbon nanotube catalyst composite electrode for vanadium oxidation reduction liquid flow battery application.Wei, G., Jia, Q., Liu, J. è Yang, K. Elettrodu compositu di catalizzatore di nanotubi di carbone cù sustrato di feltro di carbone per l'applicazione in batterie redox di vanadium.J. putenza.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. Effettu di sulfate di bismutu rivestitu nantu à CNT acidificatu nantu à u rendiment di a bateria di flussu redox di vanadium. Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. Effettu di sulfate di bismutu rivestitu nantu à CNT acidificatu nantu à u rendiment di a bateria di flussu redox di vanadium.Moon, S., Kwon, BW, Chang, Y. è Kwon, Y. Influenza di sulfatu di bismutu dipositu nantu à CNTs oxidati nantu à e caratteristiche di una bateria redox di vanadium à flussu. Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. 涂在酸化CNT 上的硫酸铋对钒氧化还原液流电池性能的倧能的影 Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. Effettu di sulfate di bismutu nantu à l'ossidazione CNT nantu à u rendiment di a bateria di flussu di liquidu di riduzzione di l'ossidazione di vanadiu.Moon, S., Kwon, BW, Chang, Y. è Kwon, Y. Influenza di u sulfate di bismutu dipositu nantu à i CNT oxidized nantu à e caratteristiche di e batterie redox di vanadium.J. Elettrochimica.Partitu Sucialista.166 (12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang R.-H.Pt/Multilayer Carbon Nanotube Modified Electrodes Active Active for Vanadium Redox Flow Batteries.J. Elettrochimica.Partitu Sucialista.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Kahn, S. et al.E batterie di flussu redox di vanadiu utilizanu elettrocatalizzatori adornati cù nanotubi di carbonu drogati di nitrogenu derivati ​​​​da scaffolds organometallici.J. Elettrochimica.Partitu Sucialista.165 (7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al.Nanosheets d'ossidu di grafene serve cum'è eccellenti materiali elettrochimicamente attivi per coppie redox VO2+/ è V2+/V3+ in batterie di flussu redox di vanadium.Carbon 49 (2), 693-700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez Z. et al.Prestazione elettrochimica eccezionale di feltro di grafite modificatu cù grafene per applicazioni di batterie redox di vanadiu.J. putenza.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González, Z., Vizireanu, S., Dinescu, G., Blanco, C. & Santamaría, R. Carbon nanowalls thin films as nanostructured electrode materials in vanadium redox flow batteries. González, Z., Vizireanu, S., Dinescu, G., Blanco, C. & Santamaría, R. Carbon nanowalls thin films as nanostructured electrode materials in vanadium redox flow batteries.González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco C. è Santamaria R. Thin films of carbon nanowalls as materials electrode nanostructured in vanadium redox flow batteries.González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. è Santamaria R. Films nanowall di carbone cum'è materiali elettrodi nanostrutturati in batterie di flussu di vanadium redox.Nano Energy 1 (6), 833-839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. & Jung, H. Tridimensionale mesoporous graphene-modified carbon felt for high-performance vanadium redox flow batteries. Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. & Jung, H. Tridimensionale mesoporous graphene-modified carbon felt for high-performance vanadium redox flow batteries.Opar DO, Nankya R., Lee J., è Yung H. Tridimensionale graphene-modified carbon felt mesoporous for high-performance vanadium redox flow batteries. Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. & Jung, H.. Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. & Jung, H.Opar DO, Nankya R., Lee J., è Yung H. Tridimensionale graphene-modified carbon felt mesoporous for high-performance vanadium redox flow batteries.Elettrochimica.Act 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).