304 tiub kapilari Nanokomposit Berasaskan Tungsten Oxide/Fullerena sebagai Elektromangkin dan Perencatan Tindak Balas Parasit VO2+/VO2+ dalam Asid Campuran

Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.

Komposisi Kimia Tiub Gegelung Keluli Tahan Karat 304

Tiub Gegelung Keluli Tahan Karat 304 ialah sejenis aloi kromium-nikel austenit.Menurut Pengeluar Tiub Gegelung Keluli Tahan Karat 304, komponen utama di dalamnya ialah Cr (17%-19%), dan Ni (8%-10.5%).Untuk meningkatkan ketahanannya terhadap kakisan, terdapat sejumlah kecil Mn (2%) dan Si (0.75%).

Sifat Mekanikal Tiub Gegelung Keluli Tahan Karat 304

Sifat mekanikal tiub gegelung keluli tahan karat 304 adalah seperti berikut:

• Kekuatan tegangan: ≥515MPa
• Kekuatan hasil: ≥205MPa
• Pemanjangan: ≥30%

Aplikasi & Penggunaan Tiub Gegelung Keluli Tahan Karat 304

Kos bateri aliran redoks vanadium (VRFB) yang agak tinggi mengehadkan penggunaannya yang meluas.Kinetik tindak balas elektrokimia mesti dipertingkatkan untuk meningkatkan ketumpatan kuasa dan kecekapan tenaga VRFB, dengan itu mengurangkan kos kWh VRFB.Dalam kerja ini, nanopartikel tungsten oksida (HWO) terhidrat terhidrat yang disintesis secara hidroterma, C76 dan C76/HWO, telah didepositkan pada elektrod kain karbon dan diuji sebagai elektromangkin untuk tindak balas redoks VO2+/VO2+.Mikroskopi elektron pengimbasan pelepasan medan (FESEM), spektroskopi sinar-X penyebaran tenaga (EDX), mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HR-TEM), pembelauan sinar-X (XRD), spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), Fourier inframerah mengubah Spektroskopi ( FTIR) dan pengukuran sudut sentuhan.Telah didapati bahawa penambahan C76 fullerene kepada HWO boleh meningkatkan kinetik elektrod berkenaan dengan tindak balas redoks VO2+/VO2+ dengan meningkatkan kekonduksian dan menyediakan kumpulan berfungsi yang mengandungi oksigen pada permukaannya.Komposit HWO/C76 (50 wt% C76) terbukti paling sesuai untuk tindak balas VO2+/VO2+ dengan ΔEp 176 mV berbanding 365 mV untuk kain karbon tidak dirawat (UCC).Di samping itu, komposit HWO/C76 menunjukkan perencatan ketara terhadap tindak balas evolusi klorin parasit disebabkan oleh kumpulan berfungsi W-OH.
Aktiviti manusia yang sengit dan revolusi perindustrian yang pesat telah menyebabkan permintaan elektrik yang tinggi yang tidak dapat dihalang, yang berkembang pada kira-kira 3% setahun1.Selama beberapa dekad, penggunaan bahan api fosil secara meluas sebagai sumber tenaga telah membawa kepada pelepasan gas rumah hijau, membawa kepada pemanasan global, pencemaran air dan udara, mengancam keseluruhan ekosistem.Akibatnya, menjelang 2050 bahagian tenaga boleh baharu bersih dan tenaga suria dijangka mencapai 75% daripada jumlah tenaga elektrik1.Walau bagaimanapun, apabila pengeluaran tenaga boleh diperbaharui melebihi 20% daripada jumlah pengeluaran elektrik, grid menjadi tidak stabil 1. Pembangunan sistem penyimpanan tenaga yang cekap adalah penting untuk peralihan ini, kerana ia mesti menyimpan lebihan elektrik dan mengimbangi bekalan dan permintaan.
Di antara semua sistem penyimpanan tenaga seperti bateri aliran vanadium redoks hibrid2, semua bateri aliran redoks vanadium (VRFB) adalah yang paling maju kerana banyak kelebihannya3 dan dianggap sebagai penyelesaian terbaik untuk penyimpanan tenaga jangka panjang (~30 tahun).Penggunaan sumber tenaga boleh diperbaharui4.Ini disebabkan oleh pemisahan kuasa dan ketumpatan tenaga, tindak balas pantas, jangka hayat yang panjang dan kos tahunan yang agak rendah iaitu $65/kWj berbanding $93-140/kWj untuk bateri Li-ion dan asid plumbum dan 279-420 USD/kWj.Bateri /kWj masing-masing 4.
Walau bagaimanapun, pengkomersilan meluas mereka terus dihalang oleh kos modal sistem yang agak tinggi, terutamanya disebabkan oleh pek bateri4,5.Oleh itu, meningkatkan prestasi bateri dengan meningkatkan kinetik dua tindak balas separuh sel boleh mengurangkan saiz bateri dan dengan itu mengurangkan kos.Oleh itu, pemindahan elektron pantas ke permukaan elektrod diperlukan, bergantung pada reka bentuk, komposisi dan struktur elektrod, yang mesti dioptimumkan dengan teliti.Walaupun elektrod berasaskan karbon mempunyai kestabilan kimia dan elektrokimia yang baik serta kekonduksian elektrik yang baik, jika tidak dirawat, kinetiknya akan menjadi perlahan kerana ketiadaan kumpulan berfungsi oksigen dan hidrofilik7,8.Oleh itu, pelbagai elektromangkin digabungkan dengan elektrod karbon, terutamanya struktur nano karbon dan oksida logam, untuk meningkatkan kinetik kedua-dua elektrod, dengan itu meningkatkan kinetik elektrod VRFB.
Banyak bahan karbon telah digunakan, seperti kertas karbon9, tiub nano karbon10,11,12,13, struktur nano berasaskan graphene14,15,16,17, serat nano karbon18 dan lain-lain19,20,21,22,23, kecuali untuk keluarga fullerene .Dalam kajian terdahulu kami pada C76, kami melaporkan buat kali pertama aktiviti elektrokatalitik yang sangat baik bagi fullerene ini terhadap VO2+/VO2+, berbanding kain karbon yang dirawat haba dan tidak dirawat, rintangan pemindahan caj dikurangkan sebanyak 99.5% dan 97% 24.Prestasi pemangkin bahan karbon untuk tindak balas VO2+/VO2+ berbanding C76 ditunjukkan dalam Jadual S1.Sebaliknya, banyak oksida logam seperti CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 dan WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 digunakan kerana peningkatan kebolehbasahan dan kandungan oksigen yang tinggi.kumpulan.Jadual S2 menunjukkan prestasi pemangkin oksida logam ini dalam tindak balas VO2+/VO2+.WO3 telah digunakan dalam sejumlah besar kerja kerana kosnya yang rendah, kestabilan tinggi dalam media berasid, dan aktiviti pemangkin yang tinggi31,32,33,34,35,36,37,38.Walau bagaimanapun, WO3 menunjukkan sedikit peningkatan dalam kinetik katod.Untuk meningkatkan kekonduksian WO3, kesan penggunaan tungsten oksida terkurang (W18O49) pada aktiviti elektrod positif telah diuji38.Tungsten oksida terhidrat (HWO) tidak pernah diuji dalam aplikasi VRFB, walaupun ia telah menunjukkan aktiviti yang lebih tinggi dalam aplikasi supercapacitor disebabkan oleh penyebaran kation yang lebih cepat berbanding dengan WOx39,40 kontang.Bateri aliran redoks semua-vanadium generasi ketiga menggunakan elektrolit asid campuran yang terdiri daripada HCl dan H2SO4 untuk meningkatkan prestasi bateri dan meningkatkan keterlarutan dan kestabilan ion vanadium dalam elektrolit.Walau bagaimanapun, tindak balas evolusi klorin parasit telah menjadi salah satu kelemahan generasi ketiga, jadi mencari cara untuk menyekat tindak balas penilaian klorin telah menjadi tugas beberapa kumpulan penyelidikan.
Di sini, ujian tindak balas VO2+/VO2+ telah dijalankan ke atas komposit HWO/C76 yang dimendapkan pada elektrod kain karbon untuk mencari keseimbangan antara kekonduksian elektrik komposit dan kinetik tindak balas redoks pada permukaan elektrod sambil menindas pemendapan klorin parasit.tindak balas (KVR).Nanopartikel tungsten oksida (HWO) terhidrat telah disintesis dengan kaedah hidroterma mudah.Eksperimen telah dijalankan dalam elektrolit asid campuran (H2SO4/HCl) untuk mensimulasikan generasi ketiga VRFB (G3) untuk kemudahan dan untuk menyiasat kesan HWO pada tindak balas evolusi klorin parasit42.
Vanadium(IV) sulfat oksida hidrat (VOSO4, 99.9%, Alfa-Aeser), asid sulfurik (H2SO4), asid hidroklorik (HCl), dimetilformamida (DMF, Sigma-Aldrich), polivinilidena fluorida (PVDF, Sigma-Aldrich), natrium Tungsten oksida dihidrat (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) dan kain karbon hidrofilik ELAT (Stor Sel Bahan Api) telah digunakan dalam kajian ini.
Tungsten oksida terhidrat (HWO) telah disediakan melalui tindak balas hidroterma di mana 2 g garam Na2WO4 dibubarkan dalam 12 ml H O sehingga larutan tidak berwarna diperoleh, dan kemudian 12 ml 2 M HCl ditambah titisan sehingga ampaian kuning muda. telah diperolehi.penggantungan.Tindak balas hidroterma telah dijalankan dalam autoklaf keluli tahan karat bersalut Teflon di dalam ketuhar pada suhu 180 ºC selama 3 jam.Sisa itu dikumpulkan melalui penapisan, dibasuh 3 kali dengan etanol dan air, dikeringkan dalam ketuhar pada suhu 70°C selama ~3 jam, dan kemudian dikisar untuk mendapatkan serbuk HWO kelabu biru.
Elektrod kain karbon (CCT) yang diperolehi (tidak dirawat) digunakan dalam bentuk di mana ia diperolehi atau tertakluk kepada rawatan haba dalam relau tiub pada 450°C selama 10 jam pada kadar pemanasan 15°C/min dalam udara untuk dapatkan UCC yang dirawat (TCC), s Sama seperti kerja sebelumnya 24. UCC dan TCC dipotong menjadi elektrod lebih kurang 1.5 cm lebar dan 7 cm panjang.Suspensi C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 dan HWO-50% C76 telah disediakan dengan menambahkan 20 mg serbuk bahan aktif dan 10 wt% (~2.22 mg) pengikat PVDF kepada ~1 ml DMF disediakan dan disonikasi selama 1 jam untuk meningkatkan keseragaman.Kemudian 2 mg komposit C76, HWO dan HWO-C76 digunakan pada kira-kira 1.5 cm2 kawasan elektrod aktif UCC.Semua pemangkin telah dimuatkan pada elektrod UCC dan TCC digunakan untuk tujuan perbandingan sahaja, kerana kerja kami sebelum ini telah menunjukkan bahawa rawatan haba tidak diperlukan 24 .Penetapan kesan dicapai dengan menyikat 100 µl ampaian (beban 2 mg) untuk keseragaman yang lebih besar.Kemudian semua elektrod dikeringkan di dalam ketuhar semalaman pada suhu 60°C.Elektrod diukur sebelum dan selepas untuk memastikan pemuatan stok yang tepat.Untuk mempunyai kawasan geometri tertentu (~1.5 cm2) dan mengelakkan kenaikan elektrolit vanadium kepada elektrod akibat kesan kapilari, lapisan parafin nipis telah digunakan di atas bahan aktif.
Mikroskop elektron pengimbasan pelepasan medan (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60.5 kV) digunakan untuk memerhati morfologi permukaan HWO.Spektroskopi sinar-X penyebaran tenaga yang dilengkapi dengan Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) telah digunakan untuk memetakan unsur HWO-50%C76 pada elektrod UCC.Mikroskop elektron penghantaran resolusi tinggi (HR-TEM, JOEL JEM-2100) yang beroperasi pada voltan pecutan 200 kV digunakan untuk mendapatkan imej resolusi tinggi dan gelang pembelauan zarah HWO.Gunakan perisian Crystallographic Tool Box (CrysTBox) untuk menganalisis gelang pembelauan HWO menggunakan fungsi ringGUI dan membandingkan hasilnya dengan model XRD.Struktur dan grafisasi UCC dan TCC ditentukan oleh pembelauan sinar-X (XRD) pada kadar imbasan 2.4°/min dari 5° hingga 70° dengan Cu Kα (λ = 1.54060 Å) menggunakan difraktometer sinar-X Panalitik.(Model 3600).XRD menunjukkan struktur kristal dan fasa HWO.Perisian PANalytical X'Pert HighScore digunakan untuk memadankan puncak HWO dengan peta tungsten oksida yang terdapat dalam pangkalan data45.Bandingkan keputusan HWO dengan keputusan TEM.Komposisi kimia dan keadaan sampel HWO ditentukan oleh spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).Perisian CASA-XPS (v 2.3.15) digunakan untuk penyahkonvolusian puncak dan analisis data.Pengukuran spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR, menggunakan spektrometer KBr FTIR kelas Perkin Elmer) telah dilakukan untuk menentukan kumpulan berfungsi permukaan HWO dan HWO-50%C76.Bandingkan keputusan dengan keputusan XPS.Pengukuran sudut sentuhan (KRUSS DSA25) juga digunakan untuk mencirikan kebolehbasahan elektrod.
Untuk semua pengukuran elektrokimia, stesen kerja Biologic SP 300 telah digunakan.Voltammetri kitaran (CV) dan spektroskopi impedans elektrokimia (EIS) digunakan untuk mengkaji kinetik elektrod tindak balas redoks VO2+/VO2+ dan kesan resapan reagen (VOSO4 (VO2+)) ke atas kadar tindak balas.Kedua-dua teknologi menggunakan sel tiga elektrod dengan kepekatan elektrolit 0.1 M VOSO4 (V4+) terlarut dalam 1 M H2SO4 + 1 M HCl (asid campuran).Semua data elektrokimia yang dibentangkan adalah IR diperbetulkan.Elektrod calomel tepu (SCE) dan gegelung platinum (Pt) masing-masing digunakan sebagai elektrod rujukan dan kaunter.Untuk CV, kadar imbasan (ν) 5, 20, dan 50 mV/s telah digunakan pada tetingkap berpotensi (0–1) V berbanding SCE untuk VO2+/VO2+, kemudian diperbetulkan pada skala SHE untuk memplot (VSCE = 0.242 V relatif kepada HSE) .Untuk menyiasat pengekalan aktiviti elektrod, kitar semula CV telah dilakukan pada UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO dan UCC-HWO-50% C76 pada ν sama dengan 5 mV/s.Untuk pengukuran EIS untuk tindak balas redoks VO2+/VO2+, julat frekuensi 0.01-105 Hz dan gangguan voltan litar terbuka (OCV) sebanyak 10 mV telah digunakan.Setiap eksperimen diulang 2-3 kali untuk memastikan ketekalan keputusan.Pemalar kadar heterogen (k0) diperoleh dengan kaedah Nicholson46,47.
Tungsten oksida terhidrat (HVO) telah berjaya disintesis dengan kaedah hidroterma.Imej SEM dalam rajah.1a menunjukkan bahawa HWO yang didepositkan terdiri daripada kelompok nanozarah dengan saiz zarah dalam julat 25-50 nm.
Corak pembelauan sinar-X HWO menunjukkan puncak (001) dan (002) pada ~23.5° dan ~47.5°, masing-masing, yang merupakan ciri nonstoikiometri WO2.63 (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21.4 Å, b = 17.8 Å, c = 3.8 Å, α = β = γ = 90°), yang sepadan dengan warna biru yang jelas (Rajah 1b)48,49.Puncak lain pada kira-kira 20.5°, 27.1°, 28.1°, 30.8°, 35.7°, 36.7° dan 52.7° berada pada (140), (620), (350 ), (720), (740), (560).dan (970) satah difraksi, masing-masing, 49 WO2.63 ortorombik.Songara et al.43 menggunakan kaedah sintetik yang sama untuk mendapatkan produk putih, yang dikaitkan dengan kehadiran WO3(H2O)0.333.Walau bagaimanapun, dalam kerja ini, disebabkan oleh keadaan yang berbeza, produk biru-kelabu telah diperoleh, menunjukkan kewujudan bersama WO3(H2O)0.333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7.7 ) dalam Å , α = β = γ = 90°) dan bentuk terkurang tungsten oksida.Analisis semikuantitatif dengan perisian X'Pert HighScore menunjukkan 26% WO3(H2O)0.333: 74% W32O84.Memandangkan W32O84 terdiri daripada W6+ dan W4+ (1.67:1 W6+:W4+), anggaran kandungan W6+ dan W4+ ialah kira-kira 72% W6+ dan 28% W4+, masing-masing.Imej SEM, spektrum XPS 1 saat pada tahap nukleus, imej TEM, spektrum FTIR dan spektrum Raman zarah C76 telah dibentangkan dalam kertas sebelumnya24.Menurut Kawada et al.50,51, corak pembelauan sinar-X C76 menunjukkan struktur monoklin FCC selepas penyingkiran toluena.
Imej SEM dalam rajah.2a dan b menunjukkan pemendapan HWO dan HWO-50%C76 yang berjaya pada dan di antara gentian karbon elektrod UCC.Pemetaan unsur tungsten, karbon dan oksigen dalam imej SEM dalam Rajah 2c ditunjukkan dalam rajah.2d–f menunjukkan bahawa tungsten dan karbon bercampur seragam (menunjukkan taburan yang serupa) di atas permukaan elektrod dan komposit tidak dimendapkan secara sekata.disebabkan oleh sifat kaedah pemendakan.
Imej SEM bagi zarah HWO terdeposit (a) dan zarah HWO-C76 (b).Pemetaan EDX yang dimuat naik ke HWO-C76 di UCC menggunakan kawasan dalam imej (c) menunjukkan taburan tungsten (d), karbon (e), dan oksigen (f) dalam sampel.
HR-TEM digunakan untuk pengimejan pembesaran tinggi dan maklumat kristalografi (Rajah 3).HWO menunjukkan morfologi nanokube seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3a dan lebih jelas dalam Rajah 3b.Dengan membesarkan nanokubus untuk pembelauan kawasan terpilih, struktur parut dan satah pembelauan yang memenuhi hukum Bragg boleh divisualisasikan seperti ditunjukkan dalam Rajah 3c, mengesahkan kehabluran bahan.Dalam inset kepada Rajah 3c menunjukkan jarak d 3.3 Å yang sepadan dengan satah difraksi (022) dan (620) dalam fasa WO3(H2O)0.333 dan W32O84, 43, 44, 49, masing-masing.Ini adalah konsisten dengan analisis XRD di atas (Rajah 1b) kerana jarak satah parut yang diperhatikan d (Rajah 3c) sepadan dengan puncak XRD terkuat dalam sampel HWO.Cincin sampel juga ditunjukkan dalam rajah.3d, di mana setiap gelang sepadan dengan satah yang berasingan.Satah WO3(H2O)0.333 dan W32O84 masing-masing berwarna putih dan biru, dan puncak XRD yang sepadan juga ditunjukkan dalam Rajah 1b.Gelang pertama yang ditunjukkan dalam corak gelang sepadan dengan puncak bertanda pertama dalam corak sinar-x bagi satah difraksi (022) atau (620).Dari (022) hingga (402) gelang, d-jarak 3.30, 3.17, 2.38, 1.93, dan 1.69 Å didapati, yang konsisten dengan nilai XRD 3.30, 3.17, 2 .45, 1.93 dan 1.66.Å, 44, 45, masing-masing.
(a) Imej HR-TEM HWO, (b) menunjukkan imej yang diperbesarkan.Imej satah parut ditunjukkan dalam (c), dan inset (c) menunjukkan imej yang diperbesarkan bagi satah dan selang d 0.33 nm sepadan dengan satah (002) dan (620).(d) Corak gelang HWO menunjukkan satah yang dikaitkan dengan fasa WO3(H2O)0.333 (putih) dan W32O84 (biru).
Analisis XPS dilakukan untuk menentukan kimia permukaan dan keadaan pengoksidaan tungsten (Rajah S1 dan 4).Spektrum imbasan XPS jarak luas bagi HWO yang disintesis ditunjukkan dalam Rajah.S1, menunjukkan kehadiran tungsten.Spektrum imbasan sempit XPS bagi tahap W 4f dan O 1s utama ditunjukkan dalam Rajah.4a dan b, masing-masing.Spektrum W 4f dibahagikan kepada dua penggandaan orbit putaran sepadan dengan tenaga ikatan keadaan pengoksidaan W. Puncak W 4f5/2 dan W 4f7/2 pada tenaga ikatan 37.8 dan 35.6 eV tergolong dalam W6+, dan puncak W 4f5/2 dan W 4f7/2 pada 36.6 dan 34.9 eV masing-masing adalah ciri keadaan W4+.Kehadiran keadaan pengoksidaan (W4+) mengesahkan lagi pembentukan WO2.63 bukan stoikiometri, manakala kehadiran W6+ menunjukkan WO3 stoikiometrik disebabkan oleh WO3(H2O)0.333.Data yang dipasang menunjukkan bahawa peratusan atom W6+ dan W4+ masing-masing adalah 85% dan 15%, yang secara relatifnya hampir dengan nilai yang dianggarkan daripada data XRD, memandangkan perbezaan antara kedua-dua teknologi.Kedua-dua kaedah menyediakan maklumat kuantitatif dengan ketepatan yang rendah, terutamanya XRD.Selain itu, kedua-dua kaedah menganalisis bahagian bahan yang berbeza kerana XRD ialah kaedah pukal manakala XPS ialah kaedah permukaan yang hanya menghampiri beberapa nanometer.Spektrum O 1s berpecah kepada dua puncak pada 533 (22.2%) dan 530.4 eV (77.8%).Yang pertama sepadan dengan OH, dan yang kedua kepada ikatan oksigen dalam kekisi dalam WO.Kehadiran kumpulan berfungsi OH adalah konsisten dengan sifat penghidratan HWO.
Analisis FTIR juga dilakukan pada kedua-dua sampel ini untuk mengkaji kehadiran kumpulan berfungsi dan molekul air yang diselaraskan dalam struktur HWO terhidrat.Keputusan menunjukkan bahawa sampel HWO-50% C76 dan keputusan FT-IR HWO kelihatan sama kerana kehadiran HWO, tetapi keamatan puncak berbeza disebabkan oleh jumlah sampel yang berbeza yang digunakan semasa penyediaan untuk analisis (Rajah 5a). ).HWO-50% C76 Semua puncak fullerene 24 ditunjukkan kecuali puncak tungsten oksida.Terperinci dalam rajah.5a menunjukkan bahawa kedua-dua sampel mempamerkan jalur lebar yang sangat kuat pada ~ 710/cm, dikaitkan dengan getaran regangan OWO dalam struktur kekisi HWO, dan bahu yang kuat pada ~ 840/cm, dikaitkan dengan WO.jalur tajam pada ~1610/cm berkaitan dengan getaran lenturan OH, dan jalur serapan luas pada ~3400/cm berkaitan dengan getaran regangan OH dalam kumpulan hidroksil43.Keputusan ini konsisten dengan spektrum XPS dalam Rajah 4b, di mana kumpulan berfungsi WO boleh menyediakan tapak aktif untuk tindak balas VO2+/VO2+.
Analisis FTIR bagi HWO dan HWO-50% C76 (a) menunjukkan kumpulan berfungsi dan ukuran sudut sentuhan (b, c).
Kumpulan OH juga boleh memangkinkan tindak balas VO2+/VO2+, dengan itu meningkatkan hidrofilik elektrod, dengan itu menggalakkan resapan dan kadar pemindahan elektron.Sampel HWO-50% C76 menunjukkan puncak C76 tambahan seperti yang ditunjukkan dalam rajah.Puncak pada ~2905, 2375, 1705, 1607, dan 1445 cm3 boleh diberikan kepada getaran regangan CH, O=C=O, C=O, C=C, dan CO.Adalah diketahui bahawa kumpulan berfungsi oksigen C=O dan CO boleh berfungsi sebagai pusat aktif untuk tindak balas redoks vanadium.Untuk menguji dan membandingkan kebolehbasahan kedua-dua elektrod, ukuran sudut sentuhan digunakan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5b, c.Elektrod HWO segera menyerap titisan air, menunjukkan superhydrophilicity disebabkan oleh kumpulan berfungsi OH yang tersedia.HWO-50% C76 lebih hidrofobik, dengan sudut sentuhan kira-kira 135° selepas 10 saat.Walau bagaimanapun, dalam pengukuran elektrokimia, elektrod HWO-50%C76 telah dibasahi sepenuhnya dalam masa kurang daripada satu minit.Pengukuran kebolehbasahan adalah konsisten dengan keputusan XPS dan FTIR, menunjukkan bahawa lebih banyak kumpulan OH pada permukaan HWO menjadikannya lebih hidrofilik.
Tindak balas VO2+/VO2+ nanokomposit HWO dan HWO-C76 telah diuji dan dijangka HWO akan menyekat evolusi gas klorin yang berlaku semasa tindak balas VO2+/VO2+ dalam asid campuran, manakala C76 akan terus memangkinkan VO2+/VO2+ yang dikehendaki.Suspensi HWO yang mengandungi 10%, 30% dan 50% C76 telah digunakan pada elektrod UCC dengan jumlah beban kira-kira 2 mg/cm2.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.6, kinetik tindak balas VO2+/VO2+ pada permukaan elektrod telah diperiksa menggunakan CV dalam elektrolit berasid campuran.Arus ditunjukkan sebagai I/Ipa untuk memudahkan perbandingan ΔEp dan Ipa/Ipc.Pelbagai pemangkin diperoleh terus daripada rajah.Data unit kawasan semasa ditunjukkan dalam Rajah 2S.Pada rajah.Rajah 6a menunjukkan bahawa HWO meningkatkan sedikit kadar pemindahan elektron bagi tindak balas redoks VO2+/VO2+ pada permukaan elektrod dan menyekat tindak balas evolusi klorin parasit.Walau bagaimanapun, C76 meningkatkan kadar pemindahan elektron dengan ketara dan memangkinkan tindak balas evolusi klorin.Oleh itu, kompleks dengan komposisi HWO dan C76 yang betul harus mempunyai aktiviti terbaik dan keupayaan tertinggi untuk menghalang tindak balas klorin.Didapati bahawa selepas meningkatkan kandungan C76, aktiviti elektrokimia elektrod bertambah baik, seperti yang dibuktikan oleh penurunan dalam ΔEp dan peningkatan dalam nisbah Ipa/Ipc (Jadual S3).Ini juga disahkan oleh nilai RCT yang diekstrak daripada plot Nyquist dalam Rajah 6d (jadual S3), di mana didapati bahawa nilai RCT menurun dengan peningkatan kandungan C76.Keputusan ini juga konsisten dengan kajian Lee di mana penambahan karbon mesoporus kepada WO3 mesoporous meningkatkan kinetik pemindahan cas pada VO2+/VO2+35.Ini menunjukkan bahawa tindak balas positif mungkin lebih bergantung kepada kekonduksian elektrod (ikatan C=C)18,24,35,36,37.Disebabkan oleh perubahan dalam geometri koordinasi antara [VO(H2O)5]2+ dan [VO2(H2O)4]+, C76 juga boleh mengurangkan overstrain tindak balas dengan mengurangkan tenaga tisu.Walau bagaimanapun, ini mungkin tidak dapat dilakukan dengan elektrod HWO.
(a) Tingkah laku voltammetrik kitaran komposit UCC dan HWO-C76 dengan nisbah HWO:C76 berbeza dalam tindak balas VO2+/VO2+ dalam 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elektrolit (pada ν = 5 mV/s).(b) Randles-Sevchik dan (c) Kaedah VO2+/VO2+ Nicholson untuk menganggar kecekapan resapan dan mendapatkan nilai k0 (d).
Bukan sahaja HWO-50% C76 mempamerkan aktiviti elektrokatalitik yang hampir sama seperti C76 untuk tindak balas VO2+/VO2+, tetapi, lebih menarik, ia juga menindas evolusi gas klorin berbanding C76, seperti yang ditunjukkan dalam rajah.6a, selain menunjukkan separuh bulatan yang lebih kecil dalam rajah.6g (RCT bawah).C76 menunjukkan Ipa/Ipc ketara yang lebih tinggi daripada HWO-50% C76 (Jadual S3), bukan disebabkan oleh kebolehbalikan tindak balas yang lebih baik, tetapi disebabkan pertindihan dengan puncak pengurangan klorin pada 1.2 V berbanding SHE.Prestasi terbaik HWO-50% C76 adalah disebabkan oleh sinergi antara C76 konduktif tinggi bercas negatif dan kefungsian kebolehbasahan dan pemangkin tinggi W-OH pada HWO.Walaupun kurang pelepasan klorin akan meningkatkan kecekapan pengecasan sel penuh, kinetik yang lebih baik akan meningkatkan kecekapan voltan sel penuh.
Menurut persamaan S1, untuk tindak balas kuasi-terbalik (pemindahan elektron yang agak perlahan) dikawal oleh resapan, arus puncak (IP) bergantung kepada bilangan elektron (n), luas elektrod (A), pekali resapan (D), nombor pekali pemindahan elektron (α) dan kelajuan pengimbasan (ν).Untuk mengkaji tingkah laku terkawal resapan bahan yang diuji, hubungan antara IP dan ν1/2 telah diplot dan ditunjukkan dalam Rajah 6b.Oleh kerana semua bahan menunjukkan hubungan linear, tindak balas dikawal oleh resapan.Oleh kerana tindak balas VO2+/VO2+ adalah separa boleh balik, kecerunan garis bergantung kepada pekali resapan dan nilai α (persamaan S1).Disebabkan oleh pekali resapan malar (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52, perbezaan dalam cerun garisan secara langsung menunjukkan nilai α yang berbeza dan dengan itu kadar pemindahan elektron yang berbeza ke permukaan elektrod, dengan C76 dan HWO -50 % C76, mempamerkan cerun paling curam (kadar pemindahan elektron tertinggi).
Cerun Warburg frekuensi rendah yang dikira (W) ditunjukkan dalam Jadual S3 (Rajah 6d) mempunyai nilai hampir 1 untuk semua bahan, menunjukkan resapan sempurna zarah redoks dan mengesahkan kelakuan linear IP berbanding ν1/2 untuk CV .ukuran .Untuk HWO-50% C76, cerun Warburg menyimpang daripada perpaduan kepada 1.32, mencadangkan sumbangan bukan sahaja daripada resapan separa tak terhingga bahan tindak balas (VO2+), tetapi juga berkemungkinan kelakuan lapisan nipis dalam kelakuan resapan disebabkan oleh keliangan elektrod.
Untuk menganalisis lebih lanjut kebolehterbalikan (kadar pemindahan elektron) tindak balas redoks VO2+/VO2+, kaedah tindak balas kuasi-terbalik Nicholson juga digunakan untuk menentukan pemalar kadar piawai k041.42.Ini dilakukan dengan memplot parameter kinetik tak berdimensi Ψ sebagai fungsi ΔEp sebagai fungsi ν−1/2 menggunakan persamaan S2.Jadual S4 menunjukkan nilai Ψ yang terhasil bagi setiap bahan elektrod.Plot keputusan (Rajah 6c) untuk mendapatkan k0 × 104 cm/s (ditulis di sebelah setiap baris dan dibentangkan dalam Jadual S4) menggunakan persamaan S3 untuk kecerunan setiap plot.HWO-50% C76 didapati mempunyai cerun tertinggi (Rajah 6c) dan dengan itu nilai k0 tertinggi iaitu 2.47 × 10–4 cm/s.Ini bermakna elektrod ini memberikan kinetik terpantas yang konsisten dengan keputusan CV dan EIS dalam Rajah 6a dan d dan Jadual S3.Di samping itu, nilai k0 juga diperoleh daripada plot Nyquist (Rajah 6d) Persamaan S4 menggunakan nilai RCT (Jadual S3).Keputusan k0 daripada EIS ini diringkaskan dalam Jadual S4 dan juga menunjukkan bahawa HWO-50% C76 mempamerkan kadar pemindahan elektron tertinggi disebabkan oleh kesan sinergi.Walaupun nilai k0 berbeza kerana asal usul yang berbeza bagi setiap kaedah, ia masih menunjukkan susunan magnitud yang sama dan menunjukkan ketekalan.
Untuk memahami sepenuhnya kinetik cemerlang yang boleh dicapai, adalah penting untuk membandingkan bahan elektrod optimum dengan elektrod UCC dan TCC yang tidak bertebat.Untuk tindak balas VO2 + / VO2 +, HWO-C76 bukan sahaja menunjukkan ΔEp terendah dan kebolehbalikan yang lebih baik, tetapi juga dengan ketara menindas tindak balas evolusi klorin parasit berbanding TCC, seperti yang ditunjukkan oleh penurunan arus yang ketara pada 1.45 V berbanding dengan OHA (Rajah 1). 7a).Dari segi kestabilan, kami mengandaikan bahawa HWO-50% C76 adalah stabil secara fizikal kerana pemangkin telah dicampur dengan pengikat PVDF dan kemudian digunakan pada elektrod kain karbon.Berbanding 50 mV untuk UCC, HWO-50% C76 menunjukkan anjakan puncak 44 mV selepas 150 kitaran (kadar degradasi 0.29 mV/kitaran) (Rajah 7b).Ia mungkin bukan perbezaan yang besar, tetapi kinetik elektrod UCC sangat perlahan dan merosot dengan berbasikal, terutamanya untuk tindak balas belakang.Walaupun kebolehterbalikan TCC jauh lebih baik daripada UCC, TCC didapati mempunyai anjakan puncak yang besar sebanyak 73 mV selepas 150 kitaran, yang mungkin disebabkan oleh sejumlah besar klorin yang dikeluarkan dari permukaannya.Untuk memastikan bahawa mangkin melekat dengan baik pada permukaan elektrod.Seperti yang dapat dilihat pada semua elektrod yang diuji, walaupun mereka yang tidak mempunyai pemangkin yang disokong mempamerkan tahap ketidakstabilan berbasikal yang berbeza-beza, menunjukkan bahawa perubahan dalam pemisahan puncak semasa berbasikal adalah disebabkan oleh penyahaktifan bahan akibat perubahan kimia dan bukannya pemisahan mangkin.Juga, jika sejumlah besar zarah pemangkin akan diasingkan daripada permukaan elektrod, ini akan membawa kepada peningkatan ketara dalam pemisahan puncak (bukan sahaja sebanyak 44 mV), kerana substrat (UCC) secara relatifnya tidak aktif untuk VO2+/VO2+ tindak balas redoks.
Perbandingan CV (a) dan kestabilan tindak balas redoks VO2+/VO2+ (b) bahan elektrod optimum berkenaan dengan CCC.Dalam elektrolit 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl, semua CV adalah sama dengan ν = 5 mV/s.
Untuk meningkatkan daya tarikan ekonomi teknologi VRFB, menambah baik dan memahami kinetik tindak balas vanadium redoks adalah penting untuk mencapai kecekapan tenaga yang tinggi.Komposit HWO-C76 telah disediakan dan kesan elektrokatalitiknya pada tindak balas VO2+/VO2+ telah dikaji.HWO menunjukkan sedikit peningkatan kinetik tetapi dengan ketara menindas evolusi klorin dalam elektrolit berasid campuran.Pelbagai nisbah HWO:C76 digunakan untuk mengoptimumkan lagi kinetik elektrod berasaskan HWO.Menambahkan kandungan C76 kepada HWO boleh meningkatkan kinetik pemindahan elektron tindak balas VO2+/VO2+ pada elektrod yang diubah suai, antaranya HWO-50% C76 adalah bahan terbaik kerana ia merendahkan rintangan pemindahan cas dan seterusnya menekan evolusi gas klorin berbanding dengan C76.dan TCC dikeluarkan.Ini disebabkan oleh kesan sinergi antara C=C sp2 hibridisasi, kumpulan berfungsi OH dan W-OH.Kadar degradasi HWO-50% C76 didapati 0.29mV/kitaran di bawah pelbagai kitaran manakala UCC dan TCC masing-masing adalah 0.33mV/kitaran dan 0.49mV/kitaran, menjadikannya sangat stabil dalam elektrolit asid campuran.Keputusan yang dibentangkan berjaya mengenal pasti bahan elektrod berprestasi tinggi untuk tindak balas VO2+/VO2+ dengan kinetik pantas dan kestabilan tinggi.Ini akan meningkatkan voltan keluaran, dengan itu meningkatkan kecekapan kuasa VRFB, sekali gus mengurangkan kos pengkomersilan masa depannya.
Set data yang digunakan dan/atau dianalisis dalam kajian semasa tersedia daripada pengarang masing-masing atas permintaan yang munasabah.
Luderer G. et al.Menganggar Kuasa Angin dan Suria dalam Senario Tenaga Karbon Rendah Global: Satu Pengenalan.Ekonomi Tenaga.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. dan Kim, H. Analisis kesan pemendapan MnO2 ke atas prestasi bateri aliran redoks mangan vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.165(5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA dan Walsh, model sel unit Dinamik FK untuk bateri aliran redoks semua-vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.158(6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA dan Mench, MM Model pengukuran dan pengesahan potensi pengedaran in-situ untuk bateri aliran redoks semua vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.163(1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. dan Suzuki, T. Pemodelan dan simulasi bateri vanadium redoks dengan medan fluks interdigitated untuk mengoptimumkan struktur elektrod.J. Elektrokimia.masyarakat.167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. dan Skillas-Kazakos, M. Pengubahsuaian Bahan Elektrod Grafit untuk Aplikasi dalam Bateri Vanadium Redox - I. Rawatan Haba.elektrokimia.Akta 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H., dan Chen, J. Kemajuan dalam bahan elektrod untuk meningkatkan ketumpatan kuasa dalam bateri aliran vanadium (VFB).J. Kimia Tenaga.27(5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al.Sel aliran vanadium redoks kecekapan tinggi dengan konfigurasi elektrod yang dioptimumkan dan pemilihan membran.J. Elektrokimia.masyarakat.159(8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., dan Yang, K. Elektrod pemangkin tiub nano karbon komposit dengan sokongan berasa karbon untuk aplikasi bateri vanadium redoks.J. Bekalan kuasa.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y., dan Kwon, Y. Kesan bismut sulfat yang didepositkan pada CNT berasid ke atas prestasi bateri aliran redoks vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.166(12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.tunggu.Elektrod aktif diubah suai dengan nanotube karbon platinum/berbilang dinding untuk bateri aliran redoks vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Tetapi, S. et al.Bateri aliran redoks vanadium menggunakan pemangkin elektrik yang dihiasi dengan tiub karbon terdop nitrogen yang diperoleh daripada perancah organologam.J. Elektrokimia.masyarakat.165(7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al.Lembaran nano graphene oxide sebagai bahan aktif elektrokimia yang sangat baik untuk pasangan redoks VO2+/ dan V2+/V3+ untuk bateri aliran redoks vanadium.Karbon 49(2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z. et al.Prestasi elektrokimia cemerlang grafit diubah suai graphene untuk bateri vanadium redoks.J. Bekalan kuasa.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. dan Santamaria R. Filem dinding nano karbon sebagai bahan elektrod berstruktur nano dalam bateri aliran redoks vanadium.Tenaga Nano 1(6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J., dan Yung H. Karbon mesoporous diubah suai graphene tiga dimensi untuk bateri aliran redoks vanadium berprestasi tinggi.elektrokimia.Akta 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).