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郭玉國/吳雄偉/李昌珠AEM: 富邊多維框架碳作為釩氧化還原液流電池的高性能電極

郭玉國/吳雄偉/李昌珠AEM: 富邊多維框架碳作為釩氧化還原液流電池的高性能電極
由于在儲能系統中的優越性能,釩氧化還原液流電池(VRFBs)在大型儲能設備中具有巨大的應用潛力。其中,原始石墨氈(GF)電極對V(II)/V(III)和V(IV)/V(V) 氧化還原電對的低電催化活性是其面臨的主要問題。
郭玉國/吳雄偉/李昌珠AEM: 富邊多維框架碳作為釩氧化還原液流電池的高性能電極
在此,考慮到0D、2D和3D材料的特性,中科院化學所郭玉國研究員、湖南農業大學吳雄偉教授及湖南省林業科學研究院李昌珠研究員等人基于原位重結晶和檸檬酸鈉在碳纖維光滑表面上的退火提出了一種新型復合電極,包括兩種成分:源自富邊碳的多維框架碳(MFC)和用作MFC原位生長框架的GF。
MFC由碳納米顆粒(0D)、碳納米片(2D)和在碳纖維表面原位生長的連續碳網絡(3D)組成,其表面的0D、2D和3D碳材料分別導致高電催化活性、大氧化還原反應面積和快速電子轉移。此外,與原始GF電極中的光滑碳纖維相比,釩離子可以很容易地被吸收,并且可以在優越的多維結構中進入反應位點。這種合成結構由連接的二維納米片組成,有利于多維電子傳導。
郭玉國/吳雄偉/李昌珠AEM: 富邊多維框架碳作為釩氧化還原液流電池的高性能電極
圖1. 富邊多維框架復合碳電極的制備示意圖
因此,使用MFC GF電極組裝的電池可實現500 mA cm-2的最大電流密度及在 200 mA cm-2的電流密度下超過400次循環的高穩定性和卓越的能量效率,這使得MFC GF在用于制造VRFB電極的無數材料中脫穎而出。
更重要的是,這項工作揭示了富含邊緣的碳在催化正負極電解質中釩離子的氧化還原反應中起主要作用,而不是雜原子。據作者所知,這項研究是VRFB研究領域中的第一項此類研究,揭示了富邊碳原子在正極和負極電解質中均比平面碳原子和雜原子具有更高的電催化活性。因此,本研究對于指導和推動富邊碳在電池儲能產業中的應用具有重要意義。
郭玉國/吳雄偉/李昌珠AEM: 富邊多維框架碳作為釩氧化還原液流電池的高性能電極
圖2. 基于原始GF和MFC GF電極的VRFB的循環性能
Edge-Rich Multidimensional Frame Carbon as High-Performance Electrode Material for Vanadium Redox Flow Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103186

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