Оксид вольфрама/фуллерен

Jul 01, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 14348 (2022) Цитировать эту статью

Относительно высокая стоимость полностью ванадиевых окислительно-восстановительных батарей (VRFB) ограничивает их широкое распространение. Улучшение кинетики электрохимических реакций необходимо для увеличения удельной мощности и энергоэффективности VRFB и, следовательно, снижения стоимости кВтч VRFB. В данной работе гидротермально синтезированные наночастицы гидратированного оксида вольфрама (HWO), C76 и C76/HWO, были нанесены на электроды из углеродной ткани и испытаны в качестве электрокатализаторов окислительно-восстановительных реакций VO2+/VO2+. Полевая эмиссионная сканирующая электронная микроскопия (FESEM), энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX), просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (HR-TEM), рентгеновская дифракция (XRD), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) и измерения угла смачивания использовались для характеристики материала электродов. Было обнаружено, что добавление фуллерена C76 к HWO улучшает кинетику электрода в направлении окислительно-восстановительной реакции VO2+/VO2+ за счет повышения проводимости и обеспечения кислородсодержащих функциональных групп на его поверхности. Было обнаружено, что композит HWO/C76 (50 мас.% C76) является оптимальным для реакции VO2+/VO2+, демонстрируя ΔEp 176 мВ по сравнению с 365 мВ в случае необработанной углеродной ткани (UCC). Кроме того, композиты HWO/C76 показали значительный эффект ингибирования реакции выделения паразитного хлора за счет функциональных групп W-OH.

Интенсивная деятельность человека и стремительная промышленная революция привели к неудержимо высокому спросу на электроэнергию, который ежегодно увеличивается примерно на 3%1. Широкое использование ископаемого топлива в качестве источника энергии в течение нескольких десятилетий привело к выбросам парниковых газов, которые способствовали глобальному потеплению, загрязнению воды и воздуха, угрожая всей экосистеме. Таким образом, ожидается, что к 2050 году проникновение чистой и возобновляемой энергии ветра и солнца достигнет 75% от общего объема электроэнергии1. Однако электрическая сеть становится нестабильной, когда мощность возобновляемых источников энергии превышает 20% от общей вырабатываемой электроэнергии1. . Разработка эффективных систем хранения энергии имеет решающее значение для такого перехода, поскольку они необходимы для хранения излишков электроэнергии и баланса спроса и предложения.

Среди всех систем хранения энергии, таких как гибридные ванадиевые проточные окислительно-восстановительные батареи2, полностью ванадиевые окислительно-восстановительные проточные батареи (VRFB) являются наиболее развитыми благодаря своим многочисленным преимуществам3 и считаются оптимальным решением для длительного хранения энергии (~ 30 лет). в сочетании с возобновляемыми источниками энергии4. Это связано с отсутствием связи между плотностью мощности и энергии, быстрым реагированием, длительным сроком службы и относительно низкой годовой стоимостью 65 долларов США/кВтч по сравнению с 93–140 долларами США/кВтч и 279–420 долларов США/кВтч для литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов. батареи соответственно4.

Однако их обширная коммерциализация по-прежнему сдерживается относительно высокой капитальной стоимостью системы, в первую очередь из-за набора ячеек4,5. Следовательно, улучшение характеристик пакета ячеек за счет увеличения кинетики реакций обеих полуэлементов может уменьшить размер пакета и, следовательно, стоимость. Следовательно, необходим быстрый перенос электронов на поверхности электрода, который зависит от конструкции, состава и структуры электрода, которые необходимо тщательно оптимизировать6. Несмотря на то, что электроды на основе углерода обладают хорошей химической и электрохимической стабильностью и хорошей проводимостью, без обработки они страдают от вялой кинетики из-за отсутствия функциональных групп кислорода и гидрофильности7,8. Поэтому в электроды на основе углерода были включены различные электрокатализаторы, в частности углеродные наноструктуры и оксиды металлов, для улучшения кинетики на обоих электродах и увеличения кинетики на электродах VRFB.

Использовалось множество углеродных материалов, таких как углеродная бумага9, углеродные нанотрубки10,11,12,13, наноструктуры на основе графена14,15,16,17, углеродные нановолокна18 и другие19,20,21,22,23, за исключением семейства фуллеренов. . В нашей предыдущей работе над C76 мы впервые сообщили о превосходной электрокаталитической активности этого фуллерена по отношению к VO2+/VO2+, показав снижение сопротивления переносу заряда на 99,5% и 97% по сравнению с термически обработанной и необработанной углеродной тканью24. Сводная информация о каталитических характеристиках углеродных материалов в реакциях VO2+/VO2+ по сравнению с C76 приведена в Таблице S1. С другой стороны, использовались многие оксиды металлов, такие как CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 и WO331,32,33,34,35,36,37,38, из-за их повышенной смачиваемости и обилия кислородных функциональных групп. группы. Сводная информация о каталитических характеристиках этих оксидов металлов в реакциях VO2+/VO2+ представлена ​​в Таблице S2. Во многих работах использовался WO3 из-за его низкой стоимости, высокой стабильности в кислых средах и высокой каталитической активности31,32,33,34,35,36,37,38. Однако WO3 показал незначительное улучшение кинетики положительного электрода. Для улучшения проводимости WO3 было проверено влияние использования восстановленного оксида вольфрама (W18O49) на активность положительного электрода38. Гидратированный оксид вольфрама (HWO) никогда не тестировался в применении VRFB, несмотря на то, что он продемонстрировал повышенную активность в применении в суперконденсаторах из-за более быстрой диффузии катионов по сравнению с безводным WOx39,40. В третьем поколении ванадиевых проточных окислительно-восстановительных батарей используется смешанный кислотный электролит, состоящий из HCl и H2SO4, для повышения производительности батарей и увеличения растворимости и стабильности ионов ванадия в электролите. Однако реакция паразитного выделения хлора стала одним из недостатков третьего поколения, и поэтому поиск способа подавить реакцию оценки хлора стал проблемой нескольких исследовательских групп41.