304 Нанакампазіты з капілярнай трубкай на аснове аксіду вальфраму/фулерэну ў якасці электракаталізатараў і інгібітараў паразітарных рэакцый VO2+/VO2+ у змешаных кіслотах.

Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Адлюстроўвае карусель з трох слайдаў адначасова.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.

Хімічны склад змеявіка з нержавеючай сталі 304

Змеявік з нержавеючай сталі 304 - гэта свайго роду аўстэнітны хроманікелевы сплаў.Па словах вытворцы змеявіка з нержавеючай сталі 304, асноўным кампанентам у ім з'яўляецца Cr (17%-19%) і Ni (8%-10,5%).Для павышэння яго ўстойлівасці да карозіі, ёсць невялікія колькасці Mn (2%) і Si (0,75%).

Механічныя ўласцівасці змеявіка з нержавеючай сталі 304

Механічныя ўласцівасці змеявіка з нержавеючай сталі 304 наступныя:

• Трываласць на разрыў: ≥515MPa
• Мяжа цякучасці: ≥205MPa
• Падаўжэнне: ≥30%

Прымяненне і выкарыстанне змеявіка з нержавеючай сталі 304

Адносна высокі кошт ванадыявых акісляльна-аднаўленчых батарэй (VRFB) абмяжоўвае іх шырокае выкарыстанне.Неабходна палепшыць кінэтыку электрахімічных рэакцый, каб павялічыць шчыльнасць магутнасці і энергетычную эфектыўнасць VRFB, тым самым знізіўшы кошт VRFB у кВт.гадз.У гэтай працы гідратэрмальна сінтэзаваныя наначасціцы гідратаванага аксіду вальфраму (HWO), C76 і C76/HWO, былі нанесены на электроды з вугляроднай тканіны і пратэставаны ў якасці электракаталізатараў для акісляльна-аднаўленчай рэакцыі VO2+/VO2+.Полевая эмісійная сканіруючая электронная мікраскапія (FESEM), энергадысперсійная рэнтгенаўская спектраскапія (EDX), трансмісійная электронная мікраскапія высокага раздзялення (HR-TEM), рэнтгенаўская дыфракцыя (XRD), рэнтгенаўская фотаэлектронная спектраскапія (XPS), інфрачырвоная Фур'е спектраскапія трансфармацыі (FTIR) і вымярэнне кантактнага вугла.Было ўстаноўлена, што даданне фулерэну C76 да HWO можа палепшыць кінэтыку электрода ў адносінах да акісляльна-аднаўленчай рэакцыі VO2+/VO2+ за кошт павышэння праводнасці і забеспячэння кіслародзмяшчальных функцыянальных груп на яго паверхні.Кампазіт HWO/C76 (50 мас.% C76) апынуўся найбольш прыдатным для рэакцыі VO2+/VO2+ з ΔEp 176 мВ у параўнанні з 365 мВ для неапрацаванай вугляроднай тканіны (UCC).Акрамя таго, кампазіт HWO/C76 паказаў значнае інгібіраванне паразітарнай рэакцыі вылучэння хлору з-за функцыянальных груп W-OH.
Інтэнсіўная чалавечая дзейнасць і хуткая прамысловая рэвалюцыя прывялі да нястрымна высокага попыту на электраэнергію, які расце прыкладна на 3% у год1.На працягу дзесяцігоддзяў шырокае выкарыстанне выкапнёвага паліва ў якасці крыніцы энергіі прывяло да выкідаў парніковых газаў, што прывяло да глабальнага пацяплення, забруджвання вады і паветра, што пагражае цэлым экасістэмам.У выніку прагназуецца, што да 2050 г. доля чыстай аднаўляльнай энергіі і сонечнай энергіі дасягне 75% ад агульнай колькасці электраэнергіі1.Аднак, калі вытворчасць аднаўляльных крыніц энергіі перавышае 20% ад агульнай вытворчасці электраэнергіі, сетка становіцца нестабільнай 1. Распрацоўка эфектыўных сістэм захоўвання энергіі мае вырашальнае значэнне для гэтага пераходу, паколькі яны павінны захоўваць лішкі электраэнергіі і збалансаваць попыт і прапанову.
Сярод усіх сістэм захоўвання энергіі, такіх як гібрыдныя акісляльна-аднаўленчыя праточныя батарэі ванадыя2, усе ванадыевыя акісляльна-аднаўленчыя батарэі (VRFB) з'яўляюцца самымі дасканалымі дзякуючы сваім шматлікім перавагам3 і лічацца найлепшым рашэннем для працяглага захоўвання энергіі (~30 гадоў).Выкарыстанне аднаўляльных крыніц энергіі4.Гэта звязана з падзелам магутнасці і шчыльнасці энергіі, хуткай рэакцыяй, доўгім тэрмінам службы і адносна нізкімі гадавымі выдаткамі ў 65 долараў ЗША/кВт-гадз у параўнанні з 93-140 доларамі ЗША/кВт-гадз для літый-іённых і свінцова-кіслотных батарэй і 279-420 долараў ЗША/кВт-гадз./кВт·гадз акумулятараў адпаведна 4.
Аднак іх шырокай камерцыялізацыі па-ранейшаму перашкаджаюць адносна высокія капітальныя выдаткі сістэмы, галоўным чынам з-за акумулятараў4,5.Такім чынам, паляпшэнне прадукцыйнасці батарэі за кошт павелічэння кінетыкі двух паўэлементных рэакцый можа паменшыць памер батарэі і, такім чынам, знізіць кошт.Такім чынам, неабходны хуткі перанос электронаў на паверхню электрода ў залежнасці ад канструкцыі, складу і структуры электрода, якія павінны быць старанна аптымізаваны.Хоць вугляродныя электроды валодаюць добрай хімічнай і электрахімічнай стабільнасцю і добрай электраправоднасцю, калі іх не апрацоўваць, іх кінетыка будзе павольнай з-за адсутнасці функцыянальных груп кіслароду і гідрафільнасці7,8.Такім чынам, розныя электракаталізатары спалучаюцца з вугляроднымі электродамі, асабліва з вугляроднымі нанаструктурамі і аксідамі металаў, каб палепшыць кінэтыку абодвух электродаў, тым самым павялічваючы кінэтыку электродаў VRFB.
Выкарыстоўваецца шмат вугляродных матэрыялаў, такіх як капіравальная папера9, вугляродныя нанатрубкі10,11,12,13, нанаструктуры на аснове графена14,15,16,17, вугляродныя нанавалокны18 і іншыя19,20,21,22,23, за выключэннем сямейства фулерэнаў .У нашым папярэднім даследаванні C76 мы ўпершыню паведамілі аб выдатнай электракаталітычнай актыўнасці гэтага фулерэну ў адносінах да VO2+/VO2+, у параўнанні з тэрмічнаму апрацаванай і неапрацаванай вугляроднай тканінай, супраціў перадачы зарада быў зніжаны на 99,5% і 97%24.Каталітычныя характарыстыкі вугляродных матэрыялаў для рэакцыі VO2+/VO2+ у параўнанні з C76 паказаны ў табліцы S1.З іншага боку, многія аксіды металаў, такія як CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 і WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, выкарыстоўваюцца з-за іх падвышанай змочваемасці і высокага ўтрымання кіслароду.групы.У табліцы S2 паказаны каталітычныя характарыстыкі гэтых аксідаў металаў у рэакцыі VO2+/VO2+.WO3 быў выкарыстаны ў значнай колькасці работ з-за яго нізкай кошту, высокай стабільнасці ў кіслых асяроддзях і высокай каталітычнай актыўнасці31,32,33,34,35,36,37,38.Аднак WO3 паказаў невялікае паляпшэнне кінетыкі катода.Каб палепшыць праводнасць WO3, быў правераны ўплыў выкарыстання адноўленага аксіду вальфраму (W18O49) на актыўнасць станоўчага электрода38.Гідратаваны аксід вальфраму (HWO) ніколі не выпрабоўваўся ў прымяненні VRFB, хоць ён паказаў больш высокую актыўнасць у прымяненні суперкандэнсатараў з-за больш хуткай дыфузіі катыёнаў у параўнанні з бязводным WOx39,40.Трэцяе пакаленне акісляльна-аднаўленчага акумулятара трэцяга пакалення выкарыстоўвае змешаны кіслотны электраліт, які складаецца з HCl і H2SO4, каб палепшыць прадукцыйнасць акумулятара і палепшыць растваральнасць і стабільнасць іёнаў ванадыя ў электраліце.Аднак паразітарная рэакцыя вылучэння хлору стала адным з недахопаў трэцяга пакалення, таму пошук спосабаў падаўлення рэакцыі ацэнкі хлору стаў задачай некалькіх даследчых груп.
Тут былі праведзены выпрабаванні рэакцыі VO2+/VO2+ на кампазітах HWO/C76, нанесеных на электроды з вугляроднай тканіны, каб знайсці баланс паміж электраправоднасцю кампазітаў і кінетыкай акісляльна-аднаўленчай рэакцыі на паверхні электрода пры падаўленні паразітарнага адкладу хлору.рэакцыя (КВР).Наначасціц гидратированного аксіду вальфраму (HWO) былі сінтэзаваны простым гидротермальным метадам.Эксперыменты праводзіліся ў змешаным кіслотным электраліце ​​(H2SO4/HCl) для мадэлявання трэцяга пакалення VRFB (G3) для зручнасці і для вывучэння ўплыву HWO на паразітарную рэакцыю вылучэння хлору42.
Гідрат аксіду сульфату ванадыя(IV) (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), серная кіслата (H2SO4), саляная кіслата (HCl), дыметылфармамід (DMF, Sigma-Aldrich), полівінілідэнфтарыд (PVDF, Sigma-Aldrich), натрый У гэтым даследаванні выкарыстоўваліся дыгідрат аксіду вальфраму (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) і гідрафільная вугляродная тканіна ELAT (Fuel Cell Store).
Гідратаваны аксід вальфраму (HWO) быў атрыманы з дапамогай гідратэрмальнай рэакцыі, у якой 2 г солі Na2WO4 растваралі ў 12 мл HO да атрымання бескаляровага раствора, а затым дадавалі па кроплях 12 мл 2 М HCl да атрымання светла-жоўтай завісі. быў атрыманы.падвеска.Гідратэрмальную рэакцыю праводзілі ў аўтаклаве з нержавеючай сталі з тэфлонавым пакрыццём у печы пры 180 ºC на працягу 3 гадзін.Астатак збіралі шляхам фільтрацыі, прамывалі 3 разы этанолам і вадой, сушылі ў печы пры 70 ° C на працягу ~ 3 гадзін, а затым здрабнялі з атрыманнем сіне-шэрага парашка HWO.
Атрыманыя (неапрацаваныя) электроды з вугляроднай тканіны (ВТС) выкарыстоўвалі ў тым выглядзе, у якім яны былі атрыманы, або падвяргалі тэрмаапрацоўцы ў трубчастай печы пры 450 ° С на працягу 10 гадзін пры хуткасці нагрэву 15 ° С / мін на паветры да атрымаць апрацаваны UCC (TCC), s Тое ж, што і ў папярэдняй працы 24. UCC і TCC былі разрэзаны на электроды прыблізна 1,5 см у шырыню і 7 см у даўжыню.Завісь C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 і HWO-50% C76 рыхтавалі шляхам дадання 20 мг парашка актыўнага матэрыялу і 10 мас.% (~ 2,22 мг) звязальнага PVDF да ~ 1 мл DMF падрыхтаваны і апрацаваны ультрагукам на працягу 1 гадзіны для паляпшэння аднастайнасці.Затым 2 мг кампазітаў C76, HWO і HWO-C76 наносілі прыкладна на 1,5 см2 плошчы актыўнага электрода UCC.Усе каталізатары былі загружаныя на электроды UCC, а TCC выкарыстоўваўся толькі для параўнання, паколькі наша папярэдняя праца паказала, што тэрмічная апрацоўка не патрабуецца 24 .Асадка адбітка была дасягнута чысткай 100 мкл завісі (нагрузка 2 мг) для большай аднастайнасці.Затым усе электроды сушылі ў духоўцы на працягу ночы пры 60°C.Электроды вымяраюцца да і пасля, каб забяспечыць дакладную загрузку запасаў.Для атрымання пэўнай геаметрычнай плошчы (~1,5 см2) і прадухілення ўздыму ванадыявага электраліта да электродаў за кошт капілярнага эфекту па-над актыўнага матэрыялу наносілі тонкі пласт парафіна.
Для назірання за марфалогіяй паверхні HWO выкарыстоўваўся палявы эмісійны сканіруючы электронны мікраскоп (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60,5 кВ).Энергадысперсійная рэнтгенаўская спектраскапія, абсталяваная Feii8SEM (EDX, Zeiss AG), выкарыстоўвалася для адлюстравання элементаў HWO-50%C76 на электродах UCC.Прасвечваючы электронны мікраскоп высокага раздзялення (HR-TEM, JOEL JEM-2100), які працуе пры паскаральным напрузе 200 кВ, быў выкарыстаны для атрымання малюнкаў высокага раздзялення і дыфракцыйных кольцаў часціц HWO.Выкарыстоўвайце праграмнае забеспячэнне Crystallographic Tool Box (CrysTBox) для аналізу дыфракцыйных кольцаў HWO з дапамогай функцыі ringGUI і параўнайце вынікі з мадэлямі XRD.Структуру і графітызацыі UCC і TCC вызначалі метадам рэнтгенаўскай дыфракцыі (XRD) пры хуткасці сканавання 2,4°/мін ад 5° да 70° з Cu Kα (λ = 1,54060 Å) з выкарыстаннем рэнтгенаўскага дыфрактометра Panalytical.(Мадэль 3600).XRD паказвае крышталічную структуру і фазы HWO.Праграмнае забеспячэнне PANalytical X'Pert HighScore выкарыстоўвалася для супастаўлення пікаў HWO з картамі аксіду вальфраму, даступнымі ў базе дадзеных45.Параўнайце вынікі HWO з вынікамі TEM.Хімічны склад і стан узораў HWO вызначалі метадам рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).Праграмнае забеспячэнне CASA-XPS (версія 2.3.15) выкарыстоўвалася для пікавай дэканвалюцыі і аналізу даных.Для вызначэння паверхневых функцыянальных груп HWO і HWO-50%C76 былі праведзены вымярэнні інфрачырвонай спектраскапіі Фур'е (FTIR, з выкарыстаннем спектрометра Perkin Elmer класа KBr FTIR).Параўнайце вынікі з вынікамі XPS.Вымярэнні кантактнага вугла (KRUSS DSA25) таксама выкарыстоўваліся для характарыстыкі змочваемасці электродаў.
Для ўсіх электрахімічных вымярэнняў выкарыстоўвалася працоўная станцыя Biologic SP 300.Для вывучэння электроднай кінетыкі акісляльна-аднаўленчай рэакцыі VO2+/VO2+ і ўплыву дыфузіі рэагентаў (VOSO4 (VO2+)) на хуткасць рэакцыі выкарыстоўваліся цыклічная вольтампераметрыя (CV) і спектраскапія электрахімічнага імпедансу (EIS).Абедзве тэхналогіі выкарыстоўваюць трохэлектродную ячэйку з канцэнтрацыяй электраліта 0,1 М VOSO4 (V4+), растворанага ў 1 М H2SO4 + 1 М HCl (змешаная кіслата).Усе прадстаўленыя электрахімічныя даныя скарэкціраваны на ВК.Насычаны каломельны электрод (SCE) і плацінавая (Pt) спіраль выкарыстоўваліся ў якасці электрода параўнання і процілеглага электрода адпаведна.Для CV хуткасці сканавання (ν) 5, 20 і 50 мВ/с прымяняліся да патэнцыяльнага акна (0–1) В у параўнанні з SCE для VO2+/VO2+, затым карэктаваліся па шкале SHE для пабудовы графіка (VSCE = 0,242). V адносна ВШЭ).Каб даследаваць захаванне актыўнасці электрода, быў выкананы рэцыкл CV на UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO і UCC-HWO-50% C76 пры ν, роўным 5 мВ/с.Для вымярэнняў EIS для акісляльна-аднаўленчай рэакцыі VO2+/VO2+ выкарыстоўваўся дыяпазон частот 0,01-105 Гц і абурэння напругі халасты ланцуга (OCV) 10 мВ.Кожны эксперымент паўтаралі 2-3 разы, каб пераканацца ў адпаведнасці вынікаў.Неаднастайныя канстанты хуткасці (k0) былі атрыманы метадам Нікалсана46,47.
Гидратированный аксід вальфраму (HVO) быў паспяхова сінтэзаваны гідратэрмальным метадам.Выява SEM на мал.1а паказвае, што нанесеная HWO складаецца з кластараў наначасціц з памерам часціц у дыяпазоне 25-50 нм.
Рэнтгенаграма HWO паказвае пікі (001) і (002) пры ~23,5° і ~47,5° адпаведна, якія з'яўляюцца характэрнымі для нестехиометрического WO2,63 (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21,4 Å, b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90°), што адпавядае яго ўяўнаму сіняму колеру (мал. 1b)48,49.Іншыя пікі прыблізна на 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° і 52,7° знаходзяцца ў (140), (620), (350), (720), (740), (560).і (970) плоскасці дыфракцыі, адпаведна, 49 ромбічных WO2.63.Сонгара і інш.43 выкарыстаў той жа сінтэтычны метад для атрымання белага прадукту, які быў звязаны з прысутнасцю WO3(H2O)0,333.Аднак у гэтай працы з-за іншых умоў быў атрыманы сіне-шэры прадукт, які паказвае на суіснаванне WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7,3 Å, b = 12,5 Å, c = 7,7 ) у Å. , α = β = γ = 90°) і адноўленая форма аксіду вальфраму.Паўколькасны аналіз з дапамогай праграмнага забеспячэння X'Pert HighScore паказаў 26% WO3(H2O)0,333: 74% W32O84.Паколькі W32O84 складаецца з W6+ і W4+ (1,67:1 W6+:W4+), меркаванае ўтрыманне W6+ і W4+ складае каля 72% W6+ і 28% W4+ адпаведна.Выявы SEM, 1-секундныя спектры XPS на ўзроўні ядра, выявы TEM, спектры FTIR і спектры камбінацыйнага рассеяння часціц C76 былі прадстаўлены ў нашай папярэдняй працы24.Згодна з Kawada et al.50,51, рэнтгенаўская дыфрактаграма C76 паказвае монаклінную структуру FCC пасля выдалення талуолу.
SEM выявы на мал.2a і b паказваюць паспяховае асаджэнне HWO і HWO-50%C76 на і паміж вугляроднымі валокнамі электродаў UCC.Элементнае адлюстраванне вальфраму, вугляроду і кіслароду на малюнку SEM на мал. 2c паказана на мал.2d–f паказвае, што вальфрам і вуглярод раўнамерна змешаны (паказваючы падобнае размеркаванне) па паверхні электрода, і кампазіт не асаджаны раўнамерна.з-за характару спосабу асаджэння.
СЭМ выявы асаджаных часціц HWO (а) і часціц HWO-C76 (б).Карта EDX, загружаная ў HWO-C76 у UCC з выкарыстаннем вобласці на малюнку (c), паказвае размеркаванне вальфраму (d), вугляроду (e) і кіслароду (f) ва ўзоры.
HR-TEM выкарыстоўваўся для візуалізацыі з вялікім павелічэннем і крышталяграфічнай інфармацыі (малюнак 3).HWO дэманструе марфалогію нанакуба, як паказана на малюнку 3a і больш выразна на малюнку 3b.Пры павелічэнні нанакуба для дыфракцыі абранай вобласці можна візуалізаваць структуру рашоткі і плоскасці дыфракцыі, якія задавальняюць закону Брэгга, як паказана на малюнку 3c, што пацвярджае крышталічнасць матэрыялу.На ўстаўцы да мал. 3c паказана адлегласць d 3,3 Å, адпаведная плоскасцям дыфракцыі (022) і (620) у фазах WO3(H2O)0,333 і W32O84, 43, 44, 49 адпаведна.Гэта ўзгадняецца з прыведзеным вышэй аналізам XRD (мал. 1b), паколькі назіраная адлегласць d у плоскасці рашоткі (мал. 3c) адпавядае найбольш моцнаму піку XRD ва ўзоры HWO.Узоры кольцаў таксама паказаны на мал.3d, дзе кожнае кольца адпавядае асобнай плоскасці.Плоскасці WO3(H2O)0,333 і W32O84 афарбаваны адпаведна ў белы і сіні колеры, і іх адпаведныя XRD-пікі таксама паказаны на мал. 1b.Першае кольца, паказанае ў кальцавой схеме, адпавядае першаму адзначанаму піку на рэнтгенаграме дыфракцыйнай плоскасці (022) або (620).Ад (022) да (402) кольцаў былі знойдзены d-адлегласці 3,30, 3,17, 2,38, 1,93 і 1,69 Å, якія адпавядаюць значэнням XRD 3,30, 3,17, 2,45, 1,93 і 1,66.Å, 44, 45 адпаведна.
(a) HR-TEM выява HWO, (b) паказвае павялічаны малюнак.Выявы плоскасцей рашоткі паказаны на (с), а на ўстаўцы (с) паказаны павялічаны відарыс плоскасцей і інтэрвал d 0,33 нм, адпаведны плоскасцям (002) і (620).(d) Кальцавая схема HWO, якая паказвае плоскасці, звязаныя з фазамі WO3(H2O)0,333 (белы) і W32O84 (сіні).
Для вызначэння хімічнага складу паверхні і ступені акіслення вальфраму быў праведзены XPS-аналіз (малюнкі S1 і 4).Спектр шырокага дыяпазону XPS-сканавання сінтэзаванага HWO паказаны на мал.S1, што сведчыць аб наяўнасці вальфраму.Спектры XPS вузкага сканавання асноўных узроўняў W 4f і O 1s паказаны на мал.4а і б адпаведна.Спектр W 4f падзелены на два спін-арбітальных дублета, якія адпавядаюць энергіі сувязі ступені акіслення W. Пікі W 4f5/2 і W 4f7/2 пры энергіях сувязі 37,8 і 35,6 эВ належаць W6+, а пікі W 4f5/2 і W 4f7/2 пры 36,6 і 34,9 эВ характэрныя для стану W4+ адпаведна.Наяўнасць ступені акіслення (W4+) дадаткова пацвярджае адукацыю нестехиометрического WO2,63, у той час як наяўнасць W6+ паказвае на стэхіаметрычны WO3 з-за WO3(H2O)0,333.Падабраныя даныя паказалі, што атамныя працэнты W6+ і W4+ складалі 85% і 15% адпаведна, што было адносна блізкім да значэнняў, ацэненых з дадзеных XRD, улічваючы розніцу паміж дзвюма тэхналогіямі.Абодва метады даюць колькасную інфармацыю з нізкай дакладнасцю, асабліва XRD.Акрамя таго, гэтыя два метады аналізуюць розныя часткі матэрыялу, таму што XRD з'яўляецца аб'ёмным метадам, а XPS - павярхоўным метадам, які набліжаецца толькі да некалькіх нанаметраў.Спектр O 1s распадаецца на два пікі пры 533 (22,2%) і 530,4 эВ (77,8%).Першы адпавядае ОН, а другі - кіслародным сувязям у рашотцы ў WO.Наяўнасць функцыянальных груп OH адпавядае ўласцівасцям гідратацыі HWO.
На гэтых двух узорах таксама быў праведзены аналіз FTIR, каб праверыць наяўнасць функцыянальных груп і скаардынаваных малекул вады ў гідратаванай структуры HWO.Вынікі паказваюць, што ўзор HWO-50% C76 і вынікі FT-IR HWO выглядаюць аднолькава з-за прысутнасці HWO, але інтэнсіўнасць пікаў адрозніваецца з-за рознай колькасці ўзору, выкарыстанага падчас падрыхтоўкі да аналізу (мал. 5a). ).HWO-50% C76 Паказаны ўсе пікі фулерэну 24, за выключэннем піка аксіду вальфраму.Падрабязна на мал.На малюнку 5а паказана, што абодва ўзоры дэманструюць вельмі моцную шырокую паласу пры ~710/см, якая прыпісваецца расцягваючым ваганням OWO ў структуры рашоткі HWO, і моцнае плячо пры ~840/см, якое прыпісваецца WO.рэзкая паласа пры ~1610/см звязана з выгінальным ваганнем OH, а шырокая паласа паглынання пры ~3400/см звязана з расцягваючым ваганнем OH у гідраксільнай групе43.Гэтыя вынікі адпавядаюць спектру XPS на мал. 4b, дзе функцыянальная група WO можа забяспечваць актыўныя цэнтры для рэакцыі VO2+/VO2+.
FTIR-аналіз HWO і HWO-50% C76 (a), які паказвае функцыянальныя групы і вымярэнні вугла кантакту (b, c).
Група OH можа таксама каталізаваць рэакцыю VO2+/VO2+, тым самым павялічваючы гідрафільнасць электрода, тым самым спрыяючы хуткасці дыфузіі і перадачы электронаў.Узор HWO-50% C76 паказвае дадатковы пік C76, як паказана на малюнку.Пікі пры ~2905, 2375, 1705, 1607 і 1445 см3 можна аднесці да валентных ваганняў CH, O=C=O, C=O, C=C і CO адпаведна.Агульнавядома, што кіслародныя функцыянальныя групы C=O і CO могуць служыць актыўнымі цэнтрамі акісляльна-аднаўленчых рэакцый ванадыя.Каб праверыць і параўнаць змочвальнасць двух электродаў, былі выкарыстаны вымярэнні кута кантакту, як паказана на мал. 5b, c.Электрод HWO неадкладна паглынае кроплі вады, што паказвае на супергідрафільнасць з-за даступных функцыянальных груп OH.HWO-50% C76 больш гідрафобны, з вуглом кантакту каля 135° праз 10 секунд.Аднак у электрахімічных вымярэннях электрод HWO-50%C76 быў цалкам намочаны менш чым за хвіліну.Вымярэнні змочвальнасці супадаюць з вынікамі XPS і FTIR, мяркуючы, што большая колькасць груп OH на паверхні HWO робіць яе адносна больш гідрафільнай.
Былі правераны рэакцыі VO2+/VO2+ нанакампазітаў HWO і HWO-C76, і чакалася, што HWO будзе душыць вылучэнне газападобнага хлору, якое адбываецца падчас рэакцый VO2+/VO2+ у змешаных кіслотах, у той час як C76 будзе дадаткова каталізаваць патрэбныя VO2+/VO2+.Завісі HWO, якія змяшчаюць 10%, 30% і 50% C76, наносіліся на электроды UCC з агульнай нагрузкай каля 2 мг/см2.
Як паказана на мал.6, кінетыка рэакцыі VO2+/VO2+ на паверхні электрода была даследавана з выкарыстаннем CV у змешаных кіслых электралітах.Токі паказаны як I/Ipa, каб палегчыць параўнанне ΔEp і Ipa/Ipc.Розныя каталізатары атрымліваюцца непасрэдна з фігуры.Бягучыя даныя адзінкі плошчы паказаны на малюнку 2S.На мал.На малюнку 6а паказана, што HWO нязначна павялічвае хуткасць перадачы электронаў акісляльна-аднаўленчай рэакцыі VO2+/VO2+ на паверхні электрода і душыць рэакцыю паразітнага вылучэння хлору.Аднак C76 значна павялічвае хуткасць перадачы электронаў і каталізуе рэакцыю вылучэння хлору.Такім чынам, комплекс з правільным складам HWO і C76 павінен валодаць найлепшай актыўнасцю і самай высокай здольнасцю інгібіраваць рэакцыю хлору.Было выяўлена, што пасля павелічэння ўтрымання C76 электрахімічная актыўнасць электрода палепшылася, пра што сведчыць зніжэнне ΔEp і павелічэнне суадносін Ipa/Ipc (табліца S3).Гэта таксама было пацверджана значэннямі RCT, вынятымі з графіка Найквіста на мал. 6d (табліца S3), дзе было выяўлена, што значэнні RCT зніжаліся з павелічэннем утрымання C76.Гэтыя вынікі таксама супадаюць з даследаваннем Лі, у якім даданне мезапорыстага вугляроду да мезапорыстага WO3 палепшыла кінэтыку пераносу зарада на VO2+/VO2+35.Гэта сведчыць аб тым, што станоўчая рэакцыя можа больш залежаць ад праводнасці электрода (сувязь C=C)18,24,35,36,37.Дзякуючы змене каардынацыйнай геаметрыі паміж [VO(H2O)5]2+ і [VO2(H2O)4]+ C76 таксама можа паменшыць перанапружанне рэакцыі шляхам зніжэння энергіі тканіны.Аднак гэта можа быць немагчыма з электродамі HWO.
(а) Цыклічныя вольтамперометрические паводзіны UCC і HWO-C76 кампазітаў з рознымі суадносінамі HWO:C76 у рэакцыях VO2+/VO2+ у 0,1 М VOSO4/1 М H2SO4 + 1 М HCl электраліт (пры ν = 5 мВ/с).(b) метад Рэндлса-Сеўчыка і (c) Нікалсана VO2+/VO2+ для ацэнкі эфектыўнасці дыфузіі і атрымання значэнняў k0 (d).
HWO-50% C76 не толькі праяўляў амаль такую ​​ж электракаталітычную актыўнасць, як C76, для рэакцыі VO2+/VO2+, але, што больш цікава, ён дадаткова падаўляў вылучэнне газападобнага хлору ў параўнанні з C76, як паказана на малюнку.6а, у дадатак да паказу меншага паўкола на мал.6g (ніжняя RCT).C76 паказаў больш высокі відавочны Ipa/Ipc, чым HWO-50% C76 (табліца S3), не з-за паляпшэння зварачальнасці рэакцыі, а з-за перакрыцця з пікам аднаўлення хлору пры 1,2 В у параўнанні з SHE.Найлепшыя характарыстыкі HWO-50% C76 тлумачацца сінэргіяй паміж адмоўна зараджаным высокаправодным C76 і высокай змочвальнасцю і каталітычнымі функцыямі W-OH на HWO.У той час як меншыя выкіды хлору палепшаць эфектыўнасць зарадкі поўнай ячэйкі, паляпшэнне кінетыкі павысіць эфектыўнасць поўнай напругі ячэйкі.
Згодна з ураўненнем S1, для квазізваротнай (адносна павольнай перадачы электронаў) рэакцыі, якая кантралюецца дыфузіяй, пікавы ток (IP) залежыць ад колькасці электронаў (n), плошчы электрода (A), каэфіцыента дыфузіі (D), колькасці каэфіцыента перадачы электронаў (α) і хуткасці сканавання (ν).Для таго, каб вывучыць кантраляванае дыфузіяй паводзіны выпрабаваных матэрыялаў, адносіны паміж IP і ν1/2 быў нанесены і паказаны на мал. 6b.Паколькі ўсе матэрыялы дэманструюць лінейную залежнасць, рэакцыя кантралюецца дыфузіяй.Паколькі рэакцыя VO2+/VO2+ квазізваротная, нахіл лініі залежыць ад каэфіцыента дыфузіі і значэння α (ураўненне S1).З-за пастаяннага каэфіцыента дыфузіі (≈ 4 × 10–6 см2/с)52 розніца ў нахіле лініі непасрэдна паказвае на розныя значэнні α і, такім чынам, на розныя хуткасці пераносу электронаў на паверхню электрода, з C76 і HWO -50 % C76, які мае самы круты нахіл (самую высокую хуткасць перадачы электронаў).
Разлічаныя нізкачашчынныя нахілы Варбурга (W), паказаныя ў табліцы S3 (мал. 6d), маюць значэнні, блізкія да 1 для ўсіх матэрыялаў, што паказвае на ідэальную дыфузію акісляльна-аднаўленчых часціц і пацвярджае лінейныя паводзіны IP у параўнанні з ν1/2 для CV.вымярэння .Для HWO-50% C76 нахіл Варбурга адхіляецца ад адзінкі да 1,32, што сведчыць аб унёску не толькі паўбясконцай дыфузіі рэагентаў (VO2+), але таксама, магчыма, паводзін тонкага пласта ў паводзінах дыфузіі з-за сітаватасці электрода.
Для далейшага аналізу зварачальнасці (хуткасці перадачы электронаў) акісляльна-аднаўленчай рэакцыі VO2+/VO2+ быў таксама выкарыстаны метад квазізваротнай рэакцыі Нікалсана для вызначэння стандартнай канстанты хуткасці k041,42.Гэта робіцца шляхам пабудовы безпамернага кінетычнага параметра Ψ як функцыі ΔEp як функцыі ν−1/2 з дапамогай ураўнення S2.У табліцы S4 паказаны атрыманыя значэнні Ψ для кожнага матэрыялу электрода.Пабудуйце вынікі (малюнак 6с), каб атрымаць k0 × 104 см/с (напісана побач з кожным радком і прадстаўлена ў табліцы S4), выкарыстоўваючы ўраўненне S3 для нахілу кожнага графіка.Было выяўлена, што HWO-50% C76 мае самы высокі нахіл (мал. 6c) і, такім чынам, самае высокае значэнне k0 2,47 × 10–4 см/с.Гэта азначае, што гэты электрод забяспечвае самую хуткую кінэтыку ў адпаведнасці з вынікамі CV і EIS на малюнках 6a і d і ў табліцы S3.Акрамя таго, значэнні k0 таксама былі атрыманы з графікаў Найквіста (мал. 6d) ураўнення S4 з выкарыстаннем значэнняў RCT (табліца S3).Гэтыя вынікі k0 ад EIS зведзены ў табліцы S4 і таксама паказваюць, што HWO-50% C76 дэманструе самую высокую хуткасць перадачы электронаў з-за сінэргетычнага эфекту.Нягледзячы на ​​​​тое, што значэнне k0 адрозніваецца з-за рознага паходжання кожнага метаду, яно па-ранейшаму паказвае той жа парадак велічыні і паказвае паслядоўнасць.
Каб цалкам зразумець выдатную кінэтыку, якой можна дасягнуць, важна параўнаць аптымальны матэрыял электрода з неізаляванымі электродамі UCC і TCC.Для рэакцыі VO2+/VO2+ HWO-C76 не толькі прадэманстраваў самы нізкі ΔEp і лепшую зварачальнасць, але таксама значна падаўляў паразітарную рэакцыю вылучэння хлору ў параўнанні з TCC, на што паказвае значнае падзенне току пры 1,45 В у параўнанні з OHA (мал. 7а).Што тычыцца стабільнасці, мы выказалі здагадку, што HWO-50% C76 з'яўляецца фізічна стабільным, таму што каталізатар быў змешаны са злучным PVDF, а затым нанесены на электроды з вугляроднай тканіны.У параўнанні з 50 мВ для UCC, HWO-50% C76 паказаў пікавы зрух на 44 мВ пасля 150 цыклаў (хуткасць дэградацыі 0,29 мВ/цыкл) (малюнак 7b).Гэта можа быць невялікай розніцай, але кінетыка электродаў UCC вельмі павольная і пагаршаецца з цыклам, асабліва для зваротнай рэакцыі.Нягледзячы на ​​​​тое, што зварачальнасць TCC значна лепшая, чым у UCC, было ўстаноўлена, што TCC мае вялікі пікавы зрух у 73 мВ пасля 150 цыклаў, што можа быць звязана з вялікай колькасцю хлору, які вылучаецца з яго паверхні.Каб пераканацца, што каталізатар добра прыліпае да паверхні электрода.Як відаць на ўсіх пратэставаных электродах, нават тыя, якія не маюць каталізатараў на падтрымцы, дэманструюць розную ступень цыклічнай нестабільнасці, што сведчыць аб тым, што змены ў падзеле пікаў падчас цыклаў звязаны з дэзактывацыяй матэрыялу з-за хімічных змен, а не з-за падзелу каталізатара.Акрамя таго, калі б вялікая колькасць часціц каталізатара аддзялілася ад паверхні электрода, гэта прывяло б да значнага павелічэння падзелу пікаў (не толькі на 44 мВ), паколькі падкладка (UCC) адносна неактыўная для VO2+/VO2+ акісляльна-аднаўленчая рэакцыя.
Параўнанне CV (а) і стабільнасці акісляльна-аднаўленчай рэакцыі VO2+/VO2+ (б) аптымальнага электроднага матэрыялу адносна CCC.У электраліце ​​0,1 М VOSO4/1 М H2SO4 + 1 М HCl усе CV роўныя ν = 5 мВ/с.
Каб павысіць эканамічную прывабнасць тэхналогіі VRFB, паляпшэнне і разуменне кінетыкі акісляльна-аднаўленчай рэакцыі ванадыя мае важнае значэнне для дасягнення высокай энергаэфектыўнасці.Атрыманы кампазіты HWO-C76 і вывучана іх электракаталітычнае дзеянне на рэакцыю VO2+/VO2+.HWO паказаў невялікае кінэтычнае паляпшэнне, але значна падаўліў вылучэнне хлору ў змешаных кіслых электралітах.Для далейшай аптымізацыі кінетыкі электродаў на аснове HWO выкарыстоўваліся розныя суадносіны HWO:C76.Павелічэнне ўтрымання C76 да HWO можа палепшыць кінэтыку пераносу электронаў рэакцыі VO2+/VO2+ на мадыфікаваным электродзе, сярод якіх HWO-50% C76 з'яўляецца найлепшым матэрыялам, таму што ён зніжае супраціў перадачы зарада і дадаткова душыць вылучэнне газу хлору ў параўнанні з C76.і TCC вызваляюцца.Гэта было звязана з сінэргічны эфектам паміж гібрыдызацыі C=C sp2, функцыянальнымі групамі OH і W-OH.Устаноўлена, што хуткасць дэградацыі HWO-50% C76 складае 0,29 мВ/цыкл пры некалькіх цыклах, у той час як UCC і TCC складаюць 0,33 мВ/цыкл і 0,49 мВ/цыкл адпаведна, што робіць яго вельмі стабільным у змешаных кіслотных электралітах.Прадстаўленыя вынікі паспяхова вызначаюць высокаэфектыўныя электродныя матэрыялы для рэакцыі VO2+/VO2+ з хуткай кінетыкай і высокай стабільнасцю.Гэта павялічыць выхадную напругу, тым самым палепшыўшы энергаэфектыўнасць VRFB, тым самым знізіўшы выдаткі на яго будучую камерцыялізацыю.
Наборы дадзеных, выкарыстаныя і/або прааналізаваныя ў бягучым даследаванні, даступныя ў адпаведных аўтараў па абгрунтаваным запыце.
Luderer G. і інш.Ацэнка энергіі ветру і сонца ў глабальных сцэнарыях нізкавугляроднай энергетыкі: увядзенне.Эканоміка энергетыкі.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. and Kim, H. Аналіз уплыву адкладаў MnO2 на прадукцыйнасць ванадыя-марганцавых акісляльна-аднаўленчых батарэй.Ж. Электрахімія.грамадства.165 (5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Шах, А. А., Тангірала, Р., Сінгх, Р., Уілс, Р. Г. А. і Уолш, Ф. К. Дынамічная мадэль элементарнай ячэйкі для акісляльна-аднаўленчага акумулятара з цалкам ванадыям.Ж. Электрахімія.грамадства.158 (6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA, і Mench, MM Мадэль вымярэння і праверкі размеркавання патэнцыялу на месцы для ванадыявай акісляльна-аднаўленчай батарэі.Ж. Электрахімія.грамадства.163 (1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Цусіма, С. і Сузукі, Т. Мадэляванне акісляльна-аднаўленчай батарэі ванадыя з межпальцевым полем патоку для аптымізацыі структуры электрода.Ж. Электрахімія.грамадства.167 (2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. і Skillas-Kazakos, M. Мадыфікацыя графітавых электродных матэрыялаў для прымянення ў ванадыявых акісляльна-аднаўленчых батарэях – I. Тэрмаапрацоўка.электрахіміі.Acta 37 (7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H., and Chen, J. Дасягненні электродных матэрыялаў для павышэння шчыльнасці магутнасці ў ванадыявых батарэях (VFB).Дж. Энергетычная хімія.27 (5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Лю, QH і інш.Высокаэфектыўная акісляльна-аднаўленчая праточная ячэйка ванадыя з аптымізаванай канфігурацыяй электрода і выбарам мембраны.Ж. Электрахімія.грамадства.159 (8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., і Yang, K. Кампазітныя вугляродныя нанатрубкі каталітычныя электроды з вугляродным лямцам для прымянення акісляльна-аднаўленчых батарэй ванадыя.Ж. Блок харчавання.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Мун, С., Квон, Б.В., Чанг, Ю., і Квон, Ю. Уплыў сульфату вісмута, нанесенага на падкісленыя УНТ, на прадукцыйнасць ванадыявых акісляльна-аднаўленчых батарэй.Ж. Электрахімія.грамадства.166 (12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Хуан, Р.-Х.чакаць.Актыўныя электроды, мадыфікаваныя плацінавымі/шматсценнымі вугляроднымі нанатрубкамі для ванадыявых акісляльна-аднаўленчых батарэй.Ж. Электрахімія.грамадства.159 (10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Але, С. і інш.Акісляльна-аднаўленчая батарэя ванадыя выкарыстоўвае электракаталізатары, упрыгожаныя вугляроднымі нанатрубкамі, легаванымі азотам, атрыманымі з металаарганічных каркасаў.Ж. Электрахімія.грамадства.165 (7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Хан, П. і інш.Наналісты аксіду графена як выдатныя электрахімічна актыўныя матэрыялы для акісляльна-аднаўленчых пар VO2+/ і V2+/V3+ для акісляльна-аднаўленчых праточных батарэй ванадыя.Вуглярод 49 (2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Гансалес, З. і інш.Выдатныя электрахімічныя характарыстыкі мадыфікаванага графітам графітавага лямца для акісляльна-аднаўленчых батарэй ванадыя.Ж. Блок харчавання.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. і Santamaria R. Вугляродныя нанасценкавыя плёнкі ў якасці нанаструктураваных электродных матэрыялаў у ванадыявых акісляльна-аднаўленчых батарэях.Нанаэнергія 1 (6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J. і Yung H. Трохмерны графен-мадыфікаваны мезапорысты вугляродны лямец для высокапрадукцыйных ванадыявых акісляльна-аднаўленчых батарэй.электрахіміі.Акт 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.elecctacta.2019.135276 (2020).