304 kapillaartoru nanokomposiidid, mis põhinevad volframoksiidil/fullereenil kui elektrokatalüsaatoritel ja parasiitide VO2+/VO2+ reaktsioonide inhibiitoritel segahapetes

Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liugurinuppe.

Roostevabast terasest 304 spiraaltoru keemiline koostis

304 roostevabast terasest spiraaltoru on omamoodi austeniitse kroomi-nikli sulam.Stainless Steel 304 Coil Tube Manufacturer'i sõnul on selle põhikomponent Cr (17%-19%) ja Ni (8%-10,5%).Selle korrosioonikindluse parandamiseks on väikestes kogustes Mn (2%) ja Si (0,75%).

Roostevabast terasest 304 spiraaltoru mehaanilised omadused

304 roostevabast terasest spiraaltoru mehaanilised omadused on järgmised:

• Tõmbetugevus: ≥515 MPa
• Voolutugevus: ≥205 MPa
• Pikendus: ≥30%

Roostevabast terasest 304 spiraaltoru rakendused ja kasutusalad

Vanaadiumi redoksvoolupatareide (VRFB) suhteliselt kõrge hind piirab nende laialdast kasutamist.Elektrokeemiliste reaktsioonide kineetikat tuleb parandada, et suurendada VRFB võimsustihedust ja energiatõhusust, vähendades seeläbi VRFB kWh maksumust.Selles töös kanti süsinikkangast elektroodidele hüdrotermiliselt sünteesitud hüdraatunud volframoksiidi (HWO) nanoosakesed C76 ja C76/HWO ning neid testiti VO2+/VO2+ redoksreaktsiooni elektrokatalüsaatoritena.Väljaemissioon-skaneeriv elektronmikroskoopia (FESEM), energiat hajuv röntgenspektroskoopia (EDX), kõrglahutusega transmissioonelektronmikroskoopia (HR-TEM), röntgendifraktsioon (XRD), röntgenfotoelektronspektroskoopia (XPS), infrapuna-Fourier teisendusspektroskoopia (FTIR) ja kontaktnurga mõõtmised.On leitud, et C76 fullereeni lisamine HWO-le võib parandada elektroodi kineetikat VO2+/VO2+ redoksreaktsiooni suhtes, suurendades juhtivust ja pakkudes selle pinnale hapnikku sisaldavaid funktsionaalrühmi.HWO/C76 komposiit (50 massiprotsenti C76) osutus kõige sobivamaks VO2+/VO2+ reaktsiooni jaoks, mille ΔEp oli 176 mV, võrreldes töötlemata süsinikkanga (UCC) 365 mV-ga.Lisaks näitas HWO/C76 komposiit parasiitide kloori eraldumise reaktsiooni olulist pärssimist W-OH funktsionaalrühmade tõttu.
Intensiivne inimtegevus ja kiire tööstusrevolutsioon on toonud kaasa pidurdamatult suure nõudluse elektrienergia järele, mis kasvab umbes 3% aastas1.Aastakümneid on fossiilkütuste laialdane kasutamine energiaallikana toonud kaasa kasvuhoonegaaside heitkoguseid, mis on põhjustanud globaalset soojenemist, vee- ja õhusaastet, mis ohustab terveid ökosüsteeme.Selle tulemusena prognoositakse 2050. aastaks puhta taastuvenergia ja päikeseenergia osakaalu 75%-ni kogu elektrienergiast1.Kui aga taastuvenergia toodang ületab 20% kogu elektritoodangust, muutub võrk ebastabiilseks 1. Tõhusate energiasalvestussüsteemide väljatöötamine on selle ülemineku jaoks kriitilise tähtsusega, kuna need peavad salvestama liigset elektrienergiat ning tasakaalustama pakkumise ja nõudluse.
Kõigist energiasalvestussüsteemidest, nagu hübriidvanaadiumi redoksvooluakud2, on kõik vanaadiumi redoksvooluakud (VRFB) oma paljude eeliste tõttu kõige arenenumad3 ja neid peetakse parimaks lahenduseks pikaajaliseks energia salvestamiseks (~30 aastat).Taastuvate energiaallikate kasutamine4.Selle põhjuseks on võimsuse ja energiatiheduse lahusus, kiire reageerimine, pikk kasutusiga ja suhteliselt madalad aastakulud (65 dollarit/kWh), võrreldes liitiumioon- ja pliiakude 93–140 dollariga kWh kohta ning 279–420 dollarit kWh kohta./kWh akud vastavalt 4.
Nende laialdast turustamist takistavad aga jätkuvalt suhteliselt kõrged süsteemi kapitalikulud, mis on peamiselt tingitud akudest4,5.Seega võib aku jõudluse parandamine kahe poolelemendi reaktsiooni kineetika suurendamise kaudu vähendada aku suurust ja seega vähendada kulusid.Seetõttu on sõltuvalt elektroodi konstruktsioonist, koostisest ja struktuurist vajalik kiire elektronide ülekanne elektroodi pinnale, mida tuleb hoolikalt optimeerida.Kuigi süsinikupõhistel elektroodidel on hea keemiline ja elektrokeemiline stabiilsus ning hea elektrijuhtivus, on nende kineetika töötlemata jätmise korral hapniku funktsionaalrühmade puudumise ja hüdrofiilsuse tõttu aeglane7,8.Seetõttu kombineeritakse erinevaid elektrokatalüsaatoreid süsinikelektroodidega, eriti süsiniku nanostruktuuride ja metallioksiididega, et parandada mõlema elektroodi kineetikat, suurendades seeläbi VRFB elektroodide kineetikat.
Kasutatud on palju süsinikmaterjale, nagu süsinikpaber9, süsiniknanotorud10,11,12,13, grafeenipõhised nanostruktuurid14,15,16,17, süsiniknanokiud18 ja teised19,20,21,22,23, välja arvatud fullereeni perekond. .Eelmises C76 uuringus teatasime esimest korda selle fullereeni suurepärasest elektrokatalüütilisest aktiivsusest VO2+/VO2+ suhtes, võrreldes kuumtöödeldud ja töötlemata süsinikkangaga, vähenes laengu ülekandetakistus 99,5% ja 97%24.Süsinikmaterjalide katalüütiline jõudlus VO2+/VO2+ reaktsioonis võrreldes C76-ga on näidatud tabelis S1.Teisest küljest kasutatakse paljusid metallioksiide, nagu CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 ja WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 nende suurenenud märguvuse ja kõrge hapnikusisalduse tõttu.rühmad.Tabelis S2 on näidatud nende metalloksiidide katalüütiline jõudlus VO2+/VO2+ reaktsioonis.WO3 on kasutatud paljudes töödes tänu selle madalale maksumusele, kõrgele stabiilsusele happelises keskkonnas ja kõrgele katalüütilisele aktiivsusele31,32,33,34,35,36,37,38.Siiski näitas WO3 katoodide kineetika vähest paranemist.WO3 juhtivuse parandamiseks testiti redutseeritud volframoksiidi (W18O49) kasutamise mõju positiivsele elektroodi aktiivsusele38.Hüdreeritud volframoksiidi (HWO) ei ole kunagi VRFB rakendustes testitud, kuigi see on näidanud suuremat aktiivsust superkondensaatorite rakendustes tänu kiiremale katioonide difusioonile võrreldes veevaba WOx39,40-ga.Kolmanda põlvkonna vanaadiumi redoksvooluaku kasutab HCl-st ja H2SO4-st koosnevat segatud happelist elektrolüüti, et parandada aku jõudlust ning parandada vanaadiumiioonide lahustuvust ja stabiilsust elektrolüüdis.Parasiitne kloori eraldumise reaktsioon on aga saanud kolmanda põlvkonna üheks miinuseks, mistõttu on kloori hindamisreaktsiooni mahasurumiseks võimaluste leidmine saanud mitme uurimisrühma ülesandeks.
Siin viidi läbi VO2+/VO2+ reaktsioonikatsed HWO/C76 komposiitidega, mis olid sadestatud süsinikkangast elektroodidele, et leida tasakaal komposiitide elektrijuhtivuse ja elektroodi pinnal toimuva redoksreaktsiooni kineetika vahel, samal ajal pärssides parasiitide kloori sadestumist.reaktsioon (KVR).Hüdreeritud volframoksiidi (HWO) nanoosakesed sünteesiti lihtsa hüdrotermilise meetodiga.Eksperimendid viidi läbi segatud happelises elektrolüüdis (H2SO4/HCl), et simuleerida mugavuse huvides kolmanda põlvkonna VRFB-d (G3) ja uurida HWO mõju parasiitide kloori eraldumise reaktsioonile42.
Vanaadium(IV)sulfaatoksiidhüdraat (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), väävelhape (H2SO4), vesinikkloriidhape (HCl), dimetüülformamiid (DMF, Sigma-Aldrich), polüvinülideenfluoriid (PVDF, Sigma-Aldrich), naatrium Selles uuringus kasutati volframoksiiddihüdraati (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) ja hüdrofiilset süsinikkangast ELAT (Fuel Cell Store).
Hüdrateeritud volframoksiid (HWO) valmistati hüdrotermilise reaktsiooniga, milles 2 g Na2WO4 soola lahustati 12 ml HO-s, kuni saadi värvitu lahus, ja seejärel lisati tilkhaaval 12 ml 2 M HCl-i, kuni tekkis helekollane suspensioon. saadi.peatamine.Hüdrotermiline reaktsioon viidi läbi teflonkattega roostevabast terasest autoklaavis ahjus temperatuuril 180 ºC 3 tundi.Jääk koguti filtrimisega, pesti 3 korda etanooli ja veega, kuivatati ahjus 70 °C juures ~3 tundi ja seejärel jahvatati, et saada sinakashall HWO pulber.
Saadud (töötlemata) süsinikkangast elektroode (CCT) kasutati sellisel kujul, nagu need saadi, või kuumtöötleti toruahjus temperatuuril 450 °C 10 tundi kuumutamiskiirusel 15 °C/min õhu käes. saada töödeldud UCC (TCC), s Sama mis eelmine töö 24. UCC ja TCC lõigati ligikaudu 1,5 cm laiusteks ja 7 cm pikkusteks elektroodideks.C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 ja HWO-50% C76 suspensioonid valmistati, lisades 20 mg toimeaine pulbrit ja 10 massiprotsenti (~2,22 mg) PVDF sideainet ~1 ml DMF valmistati ja töödeldi ühe tunni jooksul ultraheliga, et parandada ühtlust.Seejärel kanti umbes 1,5 cm2 UCC aktiivse elektroodi alale 2 mg C76, HWO ja HWO-C76 komposiite.Kõik katalüsaatorid laaditi UCC elektroodidele ja TCC-d kasutati ainult võrdluse eesmärgil, kuna meie eelnev töö on näidanud, et kuumtöötlemine pole vajalik 24 .Jälje settimine saavutati 100 µl suspensiooni (koormus 2 mg) harjamisega suurema ühtluse saavutamiseks.Seejärel kuivatati kõiki elektroode öö läbi ahjus 60 °C juures.Elektroode mõõdetakse enne ja pärast, et tagada laovarude täpne laadimine.Et omada kindlat geomeetrilist pindala (~1,5 cm2) ja vältida vanaadiumi elektrolüüdi kerkimist elektroodidele kapillaarefekti tõttu, kanti aktiivmaterjali peale õhuke kiht parafiini.
HWO pinnamorfoloogia jälgimiseks kasutati väljaemissiooni skaneerivat elektronmikroskoopi (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60,5 kV).HWO-50% C76 elementide kaardistamiseks UCC elektroodidel kasutati Feii8SEM-iga (EDX, Zeiss AG) varustatud energiat hajutavat röntgenspektroskoopiat.HWO osakeste kõrge eraldusvõimega kujutiste ja difraktsioonirõngaste saamiseks kasutati kõrge eraldusvõimega ülekandeelektronmikroskoopi (HR-TEM, JOEL JEM-2100), mis töötas kiirenduspingel 200 kV.Kasutage Crystallographic Tool Box (CrysTBox) tarkvara, et analüüsida HWO difraktsioonirõngaid kasutades ringGUI funktsiooni ja võrrelda tulemusi XRD mudelitega.UCC ja TCC struktuur ja grafitiseerumine määrati röntgendifraktsiooniga (XRD) skaneerimiskiirusega 2,4°/min 5° kuni 70° Cu Ka-ga (λ = 1,54060 Å), kasutades Panalüütilist röntgendifraktomeetrit.(mudel 3600).XRD näitab HWO kristallstruktuuri ja faase.PANalytical X'Pert HighScore tarkvara kasutati HWO piikide sobitamiseks andmebaasis saadaolevate volframoksiidi kaartidega45.Võrrelge HWO tulemusi TEM-i tulemustega.HWO proovide keemiline koostis ja olek määrati röntgenfotoelektronspektroskoopia abil (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).CASA-XPS tarkvara (v 2.3.15) kasutati tippude dekonvolutsiooniks ja andmete analüüsiks.HWO ja HWO-50%C76 pinna funktsionaalrühmade määramiseks teostati Fourier' teisenduse infrapunaspektroskoopia (FTIR, Perkin Elmer klassi KBr FTIR spektromeetriga) mõõtmised.Võrrelge tulemusi XPS-i tulemustega.Elektroodide märguvuse iseloomustamiseks kasutati ka kontaktnurga mõõtmisi (KRUSS DSA25).
Kõigi elektrokeemiliste mõõtmiste jaoks kasutati Biologic SP 300 tööjaama.VO2+/VO2+ redoksreaktsiooni elektroodikineetika ja reaktiivi difusiooni (VOSO4 (VO2+)) mõju uurimiseks reaktsiooni kiirusele kasutati tsüklilise voltammeetria (CV) ja elektrokeemilise impedantsi spektroskoopiat (EIS).Mõlemas tehnoloogias kasutatakse kolme elektroodi elementi, mille elektrolüüdi kontsentratsioon on 0,1 M VOSO4 (V4+), mis on lahustatud 1 M H2SO4 + 1 M HCl (segahape).Kõik esitatud elektrokeemilised andmed on IR-korrigeeritud.Võrdlus- ja vastuelektroodina kasutati vastavalt küllastunud kalomelelektroodi (SCE) ja plaatina (Pt) mähist.CV puhul rakendati potentsiaaliaknale (0–1) V skaneerimiskiirusi (ν) 5, 20 ja 50 mV/s võrreldes VO2+/VO2+ SCE-ga, seejärel korrigeeriti SHE skaalal graafikule (VSCE = 0,242). V HSE suhtes).Elektroodi aktiivsuse säilimise uurimiseks viidi läbi CV-recycle UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO ja UCC-HWO-50% C76 ν juures 5 mV/s.VO2+/VO2+ redoksreaktsiooni EIS mõõtmiseks kasutati sagedusvahemikku 0,01-105 Hz ja avatud vooluahela pinge (OCV) häiret 10 mV.Tulemuste ühtsuse tagamiseks korrati iga katset 2-3 korda.Heterogeensed kiiruskonstandid (k0) saadi Nicholsoni meetodil46,47.
Hüdrateeritud volframoksiidi (HVO) on edukalt sünteesitud hüdrotermilise meetodiga.SEM-pilt joonisel fig.Jooniselt 1a on näidatud, et ladestunud HWO koosneb nanoosakeste klastritest, mille osakeste suurus on vahemikus 25–50 nm.
HWO röntgendifraktsioonimuster näitab piike (001) ja (002) vastavalt ~23,5° ja ~47,5° juures, mis on iseloomulikud mittestöhhiomeetrilisele WO2.63-le (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21,4 Å, b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90°), mis vastab selle näivale sinisele värvusele (joonis 1b)48,49.Teised tipud ligikaudu 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° ja 52,7° on punktides (140), (620), (350), (720), (740), (560).ja (970) difraktsioonitasandid, vastavalt 49 ortorombilist WO2.63.Songara jt.43 kasutas valge toote saamiseks sama sünteesimeetodit, mille põhjuseks oli WO3(H2O)0,333.Selles töös saadi aga erinevate tingimuste tõttu sinakashall toode, mis näitab WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7,3 Å, b = 12,5 Å, c = 7,7 ) kooseksisteerimist Å-des. , α = β = γ = 90°) ja volframoksiidi redutseeritud vorm.Poolkvantitatiivne analüüs X'Pert HighScore tarkvaraga näitas 26% WO3(H2O)0,333: 74% W32O84.Kuna W32O84 koosneb W6+ ja W4+ (1,67:1 W6+:W4+), on W6+ ja W4+ hinnanguline sisaldus vastavalt umbes 72% W6+ ja 28% W4+.SEM-pildid, 1-sekundilised XPS-spektrid tuuma tasemel, TEM-pildid, C76 osakeste FTIR-spektrid ja Ramani spektrid esitati meie eelmises artiklis24.Vastavalt Kawada et al.50,51 näitab C76 röntgendifraktsioonimuster FCC monokliinilist struktuuri pärast tolueeni eemaldamist.
SEM-pildid joonisel fig.2a ja b näitavad HWO ja HWO-50% C76 edukat sadestumist UCC elektroodide süsinikkiududele ja nende vahele.Volframi, süsiniku ja hapniku elementide kaardistamine SEM-pildil joonisel 2c on näidatud joonisel fig.2d – f, mis näitab, et volfram ja süsinik on elektroodi pinnal ühtlaselt segunenud (näitades sarnast jaotumist) ja komposiit ei sadestu ühtlaselt.sadestamismeetodi olemuse tõttu.
SEM-pildid ladestunud HWO osakestest (a) ja HWO-C76 osakestest (b).UCC-s HWO-C76-sse üles laaditud EDX-kaardistamine, kasutades pildil (c) kujutatud ala, näitab volframi (d), süsiniku (e) ja hapniku (f) jaotust proovis.
HR-TEM-i kasutati suure suurendusega pildistamiseks ja kristallograafiliseks teabeks (joonis 3).HWO demonstreerib nanokuubiku morfoloogiat, nagu on näidatud joonisel 3a ja selgemalt joonisel 3b.Nanokuubi suurendamisel valitud ala difraktsiooniks saab Braggi seadusele vastava võre struktuuri ja difraktsioonitasapindu visualiseerida, nagu on näidatud joonisel 3c, mis kinnitab materjali kristallilisust.Joonise 3c sisestus näitab kaugust d 3,3 Å, mis vastab (022) ja (620) difraktsioonitasanditele vastavalt WO3(H2O)0,333 ja W32O84, 43, 44, 49 faasides.See on kooskõlas ülaltoodud XRD analüüsiga (joonis 1b), kuna vaadeldud võretasandi kaugus d (joonis 3c) vastab HWO proovi tugevaimale XRD piigile.Näidisrõngad on näidatud ka joonisel fig.3d, kus iga rõngas vastab eraldi tasapinnale.Tasapinnad WO3(H2O)0,333 ja W32O84 on värvitud vastavalt valge ja sinise värviga ning nende vastavad XRD piigid on samuti näidatud joonisel 1b.Rõngamustris näidatud esimene rõngas vastab difraktsioonitasandi (022) või (620) röntgenmustri esimesele märgitud piigile.(022) kuni (402) rõngaste vahel leiti d-kaugused 3,30, 3,17, 2,38, 1,93 ja 1,69 Å, mis on kooskõlas XRD väärtustega 3,30, 3,17, 2,45, 1,93 ja 1,66.Å, vastavalt 44, 45.
(a) HWO HR-TEM-pilt, (b) näitab suurendatud pilti.Võretasandite kujutised on näidatud punktis (c) ja sisestus (c) näitab tasandite suurendatud kujutist ja intervalli d 0,33 nm, mis vastab (002) ja (620) tasanditele.(d) HWO rõngamuster, mis näitab WO3(H2O)0,333 (valge) ja W32O84 (sinine) faasidega seotud tasapindu.
Volframi pinnakeemia ja oksüdatsiooniastme määramiseks viidi läbi XPS-analüüs (joonised S1 ja 4).Sünteesitud HWO laiaulatusliku XPS-skaneerimise spekter on näidatud joonisel.S1, mis näitab volframi olemasolu.Peamiste W 4f ja O 1s tasemete XPS kitsa skaneerimise spektrid on näidatud joonistel fig.4a ja b, vastavalt.W 4f spekter jaguneb kaheks spin-orbiidi dupletiks, mis vastavad oksüdatsiooniastme W sidumisenergiale. Piigid W 4f5/2 ja W 4f7/2 sidumisenergiate 37,8 ja 35,6 eV juures kuuluvad W6+-le ning piigid W W4+ olekule on iseloomulikud vastavalt 4f5/2 ja W 4f7/2 pingel 36,6 ja 34,9 eV.Oksüdatsiooniastme (W4+) olemasolu kinnitab veelgi mittestöhhiomeetrilise WO2.63 moodustumist, samas kui W6+ olemasolu näitab stöhhiomeetrilist WO3, mis on tingitud WO3(H2O)0.333-st.Paigaldatud andmed näitasid, et W6+ ja W4+ aatomiprotsendid olid vastavalt 85% ja 15%, mis olid suhteliselt lähedased XRD andmetest hinnatud väärtustele, arvestades kahe tehnoloogia erinevust.Mõlemad meetodid annavad madala täpsusega kvantitatiivset teavet, eriti XRD-d.Lisaks analüüsivad need kaks meetodit materjali erinevaid osi, kuna XRD on hulgimeetod, XPS aga pinnameetod, mis läheneb vaid mõnele nanomeetrile.O 1s spekter jaguneb kaheks piigiks 533 (22,2%) ja 530,4 eV (77,8%) juures.Esimene vastab OH-le ja teine ​​​​hapnikusidemetele võres WO-s.OH funktsionaalrühmade olemasolu on kooskõlas HWO hüdratatsiooniomadustega.
Nende kahe prooviga viidi läbi ka FTIR-analüüs, et uurida funktsionaalrühmade ja koordineeritud veemolekulide olemasolu hüdraatunud HWO struktuuris.Tulemused näitavad, et HWO-50% C76 proov ja FT-IR HWO tulemused näevad HWO olemasolu tõttu samad välja, kuid piikide intensiivsus on erinev analüüsiks ettevalmistamisel kasutatud proovi erinevate koguste tõttu (joonis 5a). ).HWO-50% C76 Näidatud on kõik fullereeni 24 piigid, välja arvatud volframoksiidi piik.Üksikasjalik joonisel fig.Jooniselt 5a on näidatud, et mõlemal proovil on väga tugev lai riba ~ 710/cm, mis on omistatud OWO venitusvibratsioonidele HWO võre struktuuris, ja tugev õlg ~ 840/cm, mis omistatakse WO-le.terav riba ~ 1610/cm juures on seotud OH paindevibratsiooniga ja lai neeldumisriba ~ 3400/cm juures on seotud OH venitusvibratsiooniga hüdroksüülrühmas43.Need tulemused on kooskõlas XPS-spektriga joonisel 4b, kus WO funktsionaalrühm võib pakkuda aktiivseid kohti VO2+/VO2+ reaktsiooni jaoks.
HWO ja HWO-50% C76 (a) FTIR analüüs, mis näitab funktsionaalrühmi ja kontaktnurga mõõtmisi (b, c).
OH-rühm võib katalüüsida ka VO2+/VO2+ reaktsiooni, suurendades seeläbi elektroodi hüdrofiilsust, soodustades seeläbi difusiooni ja elektronide ülekandekiirust.HWO-50% C76 proov näitab täiendavat C76 piiki, nagu on näidatud joonisel.Piigid ~2905, 2375, 1705, 1607 ja 1445 cm3 juures saab omistada vastavalt CH, O=C=O, C=O, C=C ja CO venitusvibratsioonidele.On hästi teada, et hapniku funktsionaalrühmad C = O ja CO võivad olla vanaadiumi redoksreaktsioonide aktiivsed keskused.Kahe elektroodi märguvuse testimiseks ja võrdlemiseks kasutati kontaktnurga mõõtmisi, nagu on näidatud joonistel 5b, c.HWO elektrood neelab koheselt veepiisad, mis näitab superhüdrofiilsust olemasolevate OH funktsionaalrühmade tõttu.HWO-50% C76 on hüdrofoobsem, kontaktnurgaga umbes 135° 10 sekundi pärast.Kuid elektrokeemiliste mõõtmiste käigus sai HWO-50%C76 elektrood täielikult märjaks vähem kui minutiga.Märguvuse mõõtmised on kooskõlas XPS ja FTIR tulemustega, mis viitab sellele, et rohkem OH rühmi HWO pinnal muudab selle suhteliselt hüdrofiilsemaks.
Testiti HWO ja HWO-C76 nanokomposiitide VO2+/VO2+ reaktsioone ning eeldati, et HWO pärsib kloorigaasi eraldumist, mis toimub VO2+/VO2+ reaktsioonide käigus segahapetes, samas kui C76 katalüüsib veelgi soovitud VO2+/VO2+.10%, 30% ja 50% C76 sisaldavaid HWO suspensioone kanti UCC elektroodidele kogukoormusega umbes 2 mg/cm2.
Nagu on näidatud joonisel fig.6, uuriti VO2+/VO2+ reaktsiooni kineetikat elektroodi pinnal, kasutades CV-d segatud happelistes elektrolüütides.Voolud on näidatud kui I/Ipa, et hõlbustada ΔEp ja Ipa/Ipc võrdlemist.Erinevad katalüsaatorid saadakse otse jooniselt.Praegused pindalaühiku andmed on näidatud joonisel 2S.Joonisel fig.Joonisel 6a on näha, et HWO suurendab veidi VO2+/VO2+ redoksreaktsiooni elektronide ülekandekiirust elektroodi pinnal ja pärsib parasiitide kloori eraldumise reaktsiooni.Kuid C76 suurendab oluliselt elektronide ülekandekiirust ja katalüüsib kloori eraldumise reaktsiooni.Seetõttu peaks HWO ja C76 õige koostisega kompleksil olema parim aktiivsus ja kõrgeim kloorireaktsiooni pärssimise võime.Leiti, et pärast C76 sisalduse suurendamist paranes elektroodi elektrokeemiline aktiivsus, mida tõendab ΔEp vähenemine ja Ipa/Ipc suhte suurenemine (tabel S3).Seda kinnitasid ka Nyquisti graafikult joonisel 6d (tabel S3) eraldatud RCT väärtused, kus leiti, et RCT väärtused vähenesid C76 sisalduse suurenemisega.Need tulemused on kooskõlas ka Lee uuringuga, milles mesopoorse süsiniku lisamine mesopoorsele WO3-le parandas VO2+/VO2+35 laengu ülekande kineetikat.See viitab sellele, et positiivne reaktsioon võib rohkem sõltuda elektroodi juhtivusest (C=C side)18,24,35,36,37.Koordinatsioonigeomeetria muutumise tõttu [VO(H2O)5]2+ ja [VO2(H2O)4]+ vahel võib C76 vähendada ka reaktsiooni ülepinget, vähendades koe energiat.See ei pruugi aga HWO elektroodidega võimalik olla.
(a) Erineva HWO:C76 suhtega UCC ja HWO-C76 komposiitide tsükliline voltammeetriline käitumine VO2+/VO2+ reaktsioonides 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elektrolüüdis (kiirusel ν = 5 mV/s).(b) Randles-Sevchik ja (c) Nicholsoni VO2+/VO2+ meetod difusiooniefektiivsuse hindamiseks ja k0 väärtuste saamiseks (d).
HWO-50% C76 mitte ainult ei avaldanud VO2+/VO2+ reaktsioonis peaaegu samasugust elektrokatalüütilist aktiivsust kui C76, vaid, mis veelgi huvitavam, pärssis see lisaks gaasilise kloori eraldumist võrreldes C76-ga, nagu on näidatud joonisel.6a, lisaks väiksema poolringi näitamisele joonisel fig.6 g (madalam RCT).C76 näitas kõrgemat näivat Ipa/Ipc kui HWO-50% C76 (tabel S3), mitte paranenud reaktsiooni pöörduvuse tõttu, vaid kattumise tõttu kloori redutseerimise piigiga pingel 1,2 V võrreldes SHE-ga.HWO-50% C76 parim jõudlus tuleneb sünergiast negatiivselt laetud kõrge juhtivusega C76 ja W-OH kõrge märguvuse ja katalüütiliste funktsioonide vahel HWO-l.Kui väiksem klooriemissioon parandab täiselemendi laadimistõhusust, siis täiustatud kineetika suurendab täiselemendi pinge efektiivsust.
Vastavalt võrrandile S1 sõltub difusiooniga juhitava kvaasipöörduva (suhteliselt aeglase elektronülekande) reaktsiooni korral tippvool (IP) elektronide arvust (n), elektroodi pindalast (A), difusioonikoefitsiendist (D), arvust. elektronide ülekandeteguri (α) ja skaneerimiskiiruse (ν).Katsetatud materjalide difusiooniga kontrollitud käitumise uurimiseks joonistati graafik IP ja ν1/2 vahel ning see on näidatud joonisel 6b.Kuna kõik materjalid näitavad lineaarset seost, juhitakse reaktsiooni difusiooni teel.Kuna VO2+/VO2+ reaktsioon on kvaasipöörduv, siis joone kalle sõltub difusioonikoefitsiendist ja α väärtusest (võrrand S1).Konstantse difusioonikoefitsiendi (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52 tõttu näitab joone kalde erinevus otseselt α erinevaid väärtusi ja seega erinevat elektronide ülekandmise kiirust elektroodi pinnale C76 ja HWO -50 korral. % C76, millel on kõige järsemad nõlvad (kõrgeim elektronide ülekandekiirus).
Tabelis S3 (joonis fig 6d) näidatud arvutatud madala sagedusega Warburgi nõlvadel (W) on kõigi materjalide väärtused 1 lähedal, mis näitab redoksosakeste täiuslikku difusiooni ja kinnitab IP lineaarset käitumist versus ν1/2 CV puhul.mõõdud .HWO-50% C76 puhul kaldub Warburgi kalle ühtsusest 1,32-ni, mis viitab mitte ainult reagentide poollõpmatule difusioonile (VO2+), vaid ka elektroodide poorsusest tingitud õhukese kihi käitumisele difusioonikäitumises.
VO2+/VO2+ redoksreaktsiooni pöörduvuse (elektronide ülekandekiiruse) edasiseks analüüsimiseks kasutati standardse kiiruskonstandi k041,42 määramiseks ka Nicholsoni kvaasi-pöörduva reaktsiooni meetodit.Seda tehakse, joonistades mõõtmeteta kineetilise parameetri Ψ funktsioonina ΔEp funktsioonina ν−1/2, kasutades võrrandit S2.Tabelis S4 on näidatud iga elektroodi materjali saadud Ψ väärtused.Joonistage tulemused (joonis 6c), et saada k0 × 104 cm/s (kirjutatud iga rea ​​kõrvale ja esitatud tabelis S4), kasutades iga graafiku kalde jaoks võrrandit S3.Leiti, et HWO-50% C76-l on suurim kalle (joonis 6c) ja seega ka suurim k0 väärtus 2,47 × 10–4 cm/s.See tähendab, et see elektrood tagab kiireima kineetika, mis on kooskõlas CV ja EIS tulemustega joonistel 6a ja d ning tabelis S3.Lisaks saadi k0 väärtused ka võrrandi S4 Nyquisti graafikutelt (joonis 6d), kasutades RCT väärtusi (tabel S3).Need EIS-i k0 tulemused on kokku võetud tabelis S4 ja näitavad ka, et HWO-50% C76-l on sünergilise efekti tõttu suurim elektronide ülekandekiirus.Kuigi k0 väärtus erineb iga meetodi erineva päritolu tõttu, näitab see siiski sama suurusjärku ja näitab järjepidevust.
Saavutatava suurepärase kineetika täielikuks mõistmiseks on oluline võrrelda optimaalset elektroodi materjali isoleerimata UCC ja TCC elektroodidega.VO2+/VO2+ reaktsiooni puhul ei näidanud HWO-C76 mitte ainult madalaimat ΔEp-d ja paremat pöörduvust, vaid pärssis oluliselt ka parasiitide kloori eraldumise reaktsiooni võrreldes TCC-ga, mida näitab märkimisväärne voolulangus 1,45 V juures võrreldes OHA-ga (joonis 1). 7a).Stabiilsuse osas eeldasime, et HWO-50% C76 on füüsiliselt stabiilne, kuna katalüsaator segati PVDF sideainega ja kanti seejärel süsinikkangast elektroodidele.Võrreldes 50 mV UCC puhul näitas HWO-50% C76 tippnihet 44 mV pärast 150 tsüklit (lagunemiskiirus 0,29 mV tsükli kohta) (joonis 7b).See ei pruugi olla suur erinevus, kuid UCC elektroodide kineetika on väga aeglane ja halveneb tsükliga, eriti seljareaktsiooni puhul.Kuigi TCC pöörduvus on palju parem kui UCC oma, leiti, et TCC-l on pärast 150 tsüklit suur tippnihe 73 mV, mis võib olla tingitud selle pinnalt vabanenud suurest kloorikogusest.Katalüsaatori hea nakkumise tagamiseks elektroodi pinnaga.Nagu on näha kõikidel testitud elektroodidel, on isegi neil, millel pole toestatud katalüsaatoreid, erinev tsükliline ebastabiilsus, mis viitab sellele, et piikide eraldumise muutused tsükli ajal on tingitud pigem materjali deaktiveerimisest keemiliste muutuste kui katalüsaatori eraldumise tõttu.Samuti, kui elektroodi pinnalt eraldataks suur hulk katalüsaatorosakesi, tooks see kaasa piikide eraldumise olulise suurenemise (mitte ainult 44 mV võrra), kuna substraat (UCC) on VO2+/VO2+ suhtes suhteliselt inaktiivne. redoksreaktsioon.
Optimaalse elektroodi materjali CV (a) ja redoksreaktsiooni VO2+/VO2+ (b) stabiilsuse võrdlus CCC suhtes.Elektrolüüdis 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl on kõik CV-d võrdsed ν = 5 mV/s.
VRFB-tehnoloogia majandusliku atraktiivsuse suurendamiseks on kõrge energiatõhususe saavutamiseks oluline vanaadiumi redoksreaktsiooni kineetika parandamine ja mõistmine.Valmistati komposiidid HWO-C76 ja uuriti nende elektrokatalüütilist toimet VO2+/VO2+ reaktsioonile.HWO näitas vähe kineetilist paranemist, kuid pärssis oluliselt kloori eraldumist segatud happelistes elektrolüütides.HWO-põhiste elektroodide kineetika edasiseks optimeerimiseks kasutati erinevaid HWO:C76 suhteid.C76 sisalduse suurendamine HWO-le võib parandada VO2+/VO2+ reaktsiooni elektronide ülekandekineetikat modifitseeritud elektroodil, mille hulgas on HWO-50% C76 parim materjal, kuna see vähendab laengu ülekandetakistust ja pärsib veelgi kloori gaasi eraldumist võrreldes elektroodiga. C76.ja TCC vabastatakse.See oli tingitud sünergilisest toimest C=C sp2 hübridisatsiooni, OH ja W-OH funktsionaalrühmade vahel.HWO-50% C76 lagunemiskiirus leiti olevat 0,29 mV tsükli kohta mitme tsükli korral, samas kui UCC ja TCC on vastavalt 0,33 mV tsükli kohta ja 0,49 mV tsükli kohta, muutes selle happeliste elektrolüütide segamisel väga stabiilseks.Esitatud tulemused tuvastavad edukalt kiire kineetika ja kõrge stabiilsusega suure jõudlusega elektroodide materjalid VO2+/VO2+ reaktsiooni jaoks.See suurendab väljundpinget, parandades seeläbi VRFB energiatõhusust, vähendades seeläbi selle tulevase turustamise kulusid.
Käesolevas uuringus kasutatud ja/või analüüsitud andmekogumid on mõistliku taotluse korral kättesaadavad vastavatelt autoritelt.
Luderer G. et al.Tuule- ja päikeseenergia hindamine globaalsete vähese süsinikdioksiidiheitega energiastsenaariumide järgi: sissejuhatus.Energiaökonoomika.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. ja Kim, H. MnO2 sadestumise mõju analüüs vanaadiummangaani redoksvoolu patareide jõudlusele.J. Elektrokeemia.ühiskond.165(5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA ja Walsh, FK Dünaamiline ühikelemendimudel täielikult vanaadiumi redoksvooluaku jaoks.J. Elektrokeemia.ühiskond.158(6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA ja Mench, MM. In situ potentsiaali jaotuse mõõtmise ja kontrollimise mudel vanaadiumi redoksvooluaku jaoks.J. Elektrokeemia.ühiskond.163(1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. ja Suzuki, T. Vanaadium-redokspatarei modelleerimine ja simuleerimine interdigiteeritud vooväljaga elektroodi struktuuri optimeerimiseks.J. Elektrokeemia.ühiskond.167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. ja Skillas-Kazakos, M. Grafiitelektroodimaterjalide modifitseerimine vanadium-redokspatareides kasutamiseks – I. Kuumtöötlus.elektrokeemia.Acta 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H. ja Chen, J. Edusammud elektroodide materjalides, et parandada võimsustihedust vanaadiumivoolupatareides (VFBs).J. Energiakeemia.27(5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al.Suure tõhususega vanaadiumi redoksvooluelement optimeeritud elektroodikonfiguratsiooni ja membraanivalikuga.J. Elektrokeemia.ühiskond.159(8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J. ja Yang, K. Komposiit-süsinik-nanotoru katalüsaatorelektroodid süsiniku vildist toega vanaadium-redokspatareide rakenduste jaoks.J. Toiteallikas.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y. ja Kwon, Y. Hapendatud CNT-dele sadestunud vismutsulfaadi mõju vanaadiumi redoksvoolupatareide jõudlusele.J. Elektrokeemia.ühiskond.166(12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.oota.Plaatina/mitmeseinaliste süsinik-nanotorudega modifitseeritud aktiivsed elektroodid vanadiini redoksvooluakude jaoks.J. Elektrokeemia.ühiskond.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Kuid S. et al.Vanaadiumi redoksvoolu aku kasutab elektrokatalüsaatoreid, mis on kaunistatud metallorgaanilistest karkassidest saadud lämmastikuga legeeritud süsinik-nanotorudega.J. Elektrokeemia.ühiskond.165(7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al.Grafeenoksiidi nanolehed kui suurepärased elektrokeemiliselt aktiivsed materjalid VO2+/ ja V2+/V3+ redokspaaride jaoks vanaadiumi redoksvooluakude jaoks.Carbon 49 (2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z. et al.Suurepärane grafeeniga modifitseeritud grafiitvildi elektrokeemiline jõudlus vanaadium-redokspatareide jaoks.J. Toiteallikas.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. ja Santamaria R. Carbon nanowall films as nanostructured electrode materials in vanadium redox flow battery.Nano Energy 1 (6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J. ja Yung H. Kolmemõõtmeline grafeeniga modifitseeritud mesopoorsest süsinikust vilt suure jõudlusega vanaadiumi redoksvooluakude jaoks.elektrokeemia.Seadus 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).