304 Нанокомпозити за капиларне цеви на бази волфрам оксида/фулерена као електрокатализатора и инхибитора паразитских ВО2+/ВО2+ реакција у мешаним киселинама

Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.

Хемијски састав цеви од нерђајућег челика 304

304 Цев од нерђајућег челика је врста аустенитне легуре хрома и никла.Према произвођачу цеви од нерђајућег челика 304, главна компонента у њему је Цр (17%-19%) и Ни (8%-10,5%).Да би се побољшала његова отпорност на корозију, постоје мале количине Мн (2%) и Си (0,75%).

Механичка својства цеви завојнице од нерђајућег челика 304

Механичка својства цеви од нерђајућег челика 304 су следеће:

• Затезна чврстоћа: ≥515МПа
• Граница течења: ≥205МПа
• Издужење: ≥30%

Примене и употреба цеви од нерђајућег челика 304

Релативно висока цена батерија са редокс протоком ванадијума (ВРФБ) ограничава њихову широку употребу.Кинетика електрохемијских реакција мора бити побољшана како би се повећала густина снаге и енергетска ефикасност ВРФБ-а, чиме би се смањила цена кВх ВРФБ-а.У овом раду, хидротермално синтетизоване наночестице хидратисаног волфрам оксида (ХВО), Ц76 и Ц76/ХВО, депоноване су на електроде од угљеничне тканине и тестиране као електрокатализатори за редокс реакцију ВО2+/ВО2+.Скенирајућа електронска микроскопија поља (ФЕСЕМ), енергетска дисперзивна рендгенска спектроскопија (ЕДКС), трансмисиона електронска микроскопија високе резолуције (ХР-ТЕМ), дифракција рендгенских зрака (КСРД), рендгенска фотоелектронска спектроскопија (КСПС), инфрацрвени Фурије трансформациона спектроскопија (ФТИР) и мерења контактног угла.Утврђено је да додавање Ц76 фулерена ХВО може побољшати кинетику електроде у односу на ВО2+/ВО2+ редокс реакцију повећањем проводљивости и обезбеђивањем функционалних група које садрже кисеоник на њеној површини.ХВО/Ц76 композит (50 теж% Ц76) показао се најпогоднијим за ВО2+/ВО2+ реакцију са ΔЕп од 176 мВ у поређењу са 365 мВ за необрађену угљеничну тканину (УЦЦ).Поред тога, композит ХВО/Ц76 показао је значајну инхибицију реакције еволуције паразитског хлора због функционалних група В-ОХ.
Интензивна људска активност и брза индустријска револуција довели су до незаустављиво велике потражње за електричном енергијом, која расте за око 3% годишње1.Деценијама је распрострањена употреба фосилних горива као извора енергије довела до емисије гасова стаклене баште, што је довело до глобалног загревања, загађења воде и ваздуха, угрожавајући читаве екосистеме.Као резултат тога, до 2050. године предвиђа се да ће удео чисте обновљиве енергије и соларне енергије достићи 75% укупне електричне енергије1.Међутим, када производња обновљиве енергије пређе 20% укупне производње електричне енергије, мрежа постаје нестабилна 1. Развој ефикасних система за складиштење енергије је критичан за ову транзицију, јер они морају складиштити вишак електричне енергије и балансирати понуду и потражњу.
Међу свим системима за складиштење енергије као што су хибридне ванадијум редокс батерије2, све редокс батерије ванадијума (ВРФБ) су најнапредније због својих бројних предности3 и сматрају се најбољим решењем за дуготрајно складиштење енергије (~30 година).Коришћење обновљивих извора енергије4.Ово је због раздвајања снаге и густине енергије, брзог одзива, дугог века трајања и релативно ниских годишњих трошкова од 65 УСД/кВх у поређењу са 93-140 УСД/кВх за Ли-јонске и оловно-киселинске батерије и 279-420 УСД/кВх./кВх батерије, односно 4.
Међутим, њихова широка комерцијализација и даље је отежана релативно високим капиталним трошковима система, углавном због батерија4,5.Дакле, побољшање перформанси батерије повећањем кинетике две полућелијске реакције може смањити величину батерије и тиме смањити трошкове.Због тога је потребан брз пренос електрона на површину електроде, у зависности од дизајна, састава и структуре електроде, која мора бити пажљиво оптимизована.Иако електроде на бази угљеника имају добру хемијску и електрохемијску стабилност и добру електричну проводљивост, ако се не третирају, њихова кинетика ће бити спора због одсуства функционалних група кисеоника и хидрофилности7,8.Због тога се различити електрокатализатори комбинују са угљеничним електродама, посебно угљеничним наноструктурама и металним оксидима, да би се побољшала кинетика обе електроде, чиме се повећава кинетика ВРФБ електрода.
Коришћени су многи угљенични материјали, као што су угљенични папир9, угљеничне наноцеви10,11,12,13, наноструктуре на бази графена14,15,16,17, угљенична нановлакна18 и други19,20,21,22,23, осим породице фулерена .У нашој претходној студији о Ц76, по први пут смо известили о одличној електрокаталитичкој активности овог фулерена према ВО2+/ВО2+, у поређењу са топлотно обрађеном и необрађеном угљеничном тканином, отпор преноса наелектрисања је смањен за 99,5% и 97%24.Каталитичке перформансе угљеничних материјала за ВО2+/ВО2+ реакцију у поређењу са Ц76 приказане су у табели С1.С друге стране, многи метални оксиди као што су ЦеО225, ЗрО226, МоО327, НиО28, СнО229, Цр2О330 и ВО331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 се користе због њихове повећане квашљивости и високог садржаја кисеоника.групе.Табела С2 приказује каталитичке перформансе ових металних оксида у ВО2+/ВО2+ реакцији.ВО3 је коришћен у значајном броју радова због ниске цене, високе стабилности у киселим срединама и високе каталитичке активности31,32,33,34,35,36,37,38.Међутим, ВО3 је показао мало побољшања у кинетици катоде.Да би се побољшала проводљивост ВО3, тестиран је ефекат употребе редукованог волфрам оксида (В18О49) на активност позитивне електроде38.Хидрирани волфрам оксид (ХВО) никада није тестиран у ВРФБ апликацијама, иако је показао већу активност у применама суперкондензатора због брже дифузије катјона у поређењу са анхидрованим ВОк39,40.Трећа генерација потпуно редокс батерија са редокс протоком користи мешани кисели електролит састављен од ХЦл и Х2СО4 да побољша перформансе батерије и побољша растворљивост и стабилност јона ванадијума у ​​електролиту.Међутим, паразитска реакција еволуције хлора постала је један од недостатака треће генерације, па је проналажење начина за сузбијање реакције процене хлора постало задатак неколико истраживачких група.
Овде су спроведени тестови реакције ВО2+/ВО2+ на ХВО/Ц76 композитима нанесеним на електроде од угљеничне тканине како би се пронашла равнотежа између електричне проводљивости композита и кинетике редокс реакције на површини електроде уз сузбијање паразитског таложења хлора.реакција (КВР).Наночестице хидратисаног волфрам оксида (ХВО) синтетизоване су једноставном хидротермалном методом.Експерименти су изведени у мешовитом киселом електролиту (Х2СО4/ХЦл) да би се симулирала трећа генерација ВРФБ (Г3) ради погодности и да би се истражио ефекат ХВО на реакцију еволуције паразитског хлора42.
Ванадијум(ИВ) сулфат оксид хидрат (ВОСО4, 99,9%, Алфа-Аесер), сумпорна киселина (Х2СО4), хлороводонична киселина (ХЦл), диметилформамид (ДМФ, Сигма-Алдрицх), поливинилиден флуорид (ПВДФ, Сигма-Алдрицх), натријум У овој студији коришћени су волфрам оксид дихидрат (На2ВО4, 99%, Сигма-Алдрицх) и хидрофилна угљенична тканина ЕЛАТ (Фуел Целл Сторе).
Хидрирани волфрам оксид (ХВО) је припремљен хидротермалном реакцијом у којој је 2 г соли На2ВО4 растворено у 12 мл Х2О док се не добије безбојни раствор, а затим је додато у капима 12 мл 2 М ХЦл до светло жуте суспензије. је добијен.суспензија.Хидротермална реакција је изведена у аутоклаву од нерђајућег челика обложеном тефлоном у пећници на 180 ºЦ током 3 сата.Остатак је сакупљен филтрацијом, испран 3 пута са етанолом и водом, сушен у пећници на 70°Ц око 3 х, а затим самлевен да би се добио плаво-сиви прах ХВО.
Добијене (нетретиране) електроде од угљеничне тканине (ЦЦТ) су коришћене у облику у коме су добијене или подвргнуте топлотној обради у цевној пећи на 450°Ц током 10 х при брзини загревања од 15°Ц/мин на ваздуху до добити третирани УЦЦ (ТЦЦ), с Исто као и претходни рад 24. УЦЦ и ТЦЦ су исечени на електроде ширине приближно 1,5 цм и дужине 7 цм.Суспензије Ц76, ХВО, ХВО-10% Ц76, ХВО-30% Ц76 и ХВО-50% Ц76 припремљене су додавањем 20 мг активног материјала у праху и 10 теж% (~2,22 мг) ПВДФ везива у ~1 мл ДМФ припремљен и соникиран 1 сат да би се побољшала униформност.Затим је нането 2 мг композита Ц76, ХВО и ХВО-Ц76 на приближно 1,5 цм2 површине УЦЦ активне електроде.Сви катализатори су стављени на УЦЦ електроде и ТЦЦ је коришћен само у сврху поређења, пошто је наш претходни рад показао да није потребна топлотна обрада 24 .Таложење отиска је постигнуто четкањем 100 µл суспензије (пуњење 2 мг) ради веће униформности.Затим су све електроде сушене у пећници преко ноћи на 60°Ц.Електроде се мере пре и после да би се обезбедило тачно оптерећење залиха.Да би се имала одређена геометријска површина (~1,5 цм2) и спречило подизање ванадијум електролита до електрода услед капиларног ефекта, преко активног материјала је нанет танак слој парафина.
За посматрање морфологије површине ХВО коришћен је емисиони скенирајући електронски микроскоп (ФЕСЕМ, Зеисс СЕМ Ултра 60,5 кВ).Енергетска дисперзивна рендгенска спектроскопија опремљена Феии8СЕМ (ЕДКС, Зеисс АГ) је коришћена за мапирање ХВО-50%Ц76 елемената на УЦЦ електродама.Трансмисиони електронски микроскоп високе резолуције (ХР-ТЕМ, ЈОЕЛ ЈЕМ-2100) који ради на убрзавајућем напону од 200 кВ коришћен је за добијање слика високе резолуције и дифракционих прстенова ХВО честица.Користите софтвер Цристаллограпхиц Тоол Бок (ЦрисТБок) да анализирате ХВО дифракционе прстенове користећи функцију рингГУИ и упоредите резултате са КСРД моделима.Структура и графитизација УЦЦ и ТЦЦ одређена је дифракцијом рендгенских зрака (КСРД) при брзини скенирања од 2,4°/мин од 5° до 70° са Цу Кα (λ = 1,54060 А) коришћењем паналитичког рендгенског дифрактометра.(модел 3600).КСРД показује кристалну структуру и фазе ХВО.Софтвер ПАНалитицал КС'Перт ХигхСцоре је коришћен за усклађивање ХВО пикова са мапама волфрам оксида доступним у бази података45.Упоредите резултате ХВО са ТЕМ резултатима.Хемијски састав и стање узорака ХВО одређивани су рендгенском фотоелектронском спектроскопијом (КСПС, ЕСЦАЛАБ 250Кси, ТхермоСциентифиц).За деконволуцију пикова и анализу података коришћен је софтвер ЦАСА-КСПС (в 2.3.15).Мерења инфрацрвене спектроскопије Фуријеове трансформације (ФТИР, коришћењем КБр ФТИР спектрометра Перкин Елмер класе) су извршена да би се одредиле површинске функционалне групе ХВО и ХВО-50%Ц76.Упоредите резултате са КСПС резултатима.Мерење контактног угла (КРУСС ДСА25) је такође коришћено за карактеризацију влажења електрода.
За сва електрохемијска мерења коришћена је радна станица Биологиц СП 300.Циклична волтаметрија (ЦВ) и електрохемијска импедансна спектроскопија (ЕИС) коришћене су за проучавање електродне кинетике ВО2+/ВО2+ редокс реакције и утицаја дифузије реагенса (ВОСО4 (ВО2+)) на брзину реакције.Обе технологије користе ћелију са три електроде са концентрацијом електролита од 0,1 М ВОСО4 (В4+) раствореног у 1 М Х2СО4 + 1 М ХЦл (мешовита киселина).Сви приказани електрохемијски подаци су ИР кориговани.Засићена каломел електрода (СЦЕ) и платина (Пт) калем су коришћени као референтна и контра електрода, респективно.За ЦВ, брзине скенирања (ν) од 5, 20 и 50 мВ/с су примењене на потенцијални прозор (0–1) В у поређењу са СЦЕ за ВО2+/ВО2+, а затим кориговане на СХЕ скали да се нацрта (ВСЦЕ = 0,242 В у односу на ХСЕ) .Да би се истражило задржавање активности електроде, ЦВ рециклажа је извршена на УЦЦ, ТЦЦ, УЦЦ-Ц76, УЦЦ-ХВО и УЦЦ-ХВО-50% Ц76 при ν једнаком 5 мВ/с.За ЕИС мерења за редокс реакцију ВО2+/ВО2+ коришћен је фреквентни опсег од 0,01-105 Хз и поремећај напона отвореног кола (ОЦВ) од 10 мВ.Сваки експеримент је поновљен 2-3 пута да би се обезбедила конзистентност резултата.Хетерогене константе брзине (к0) добијене су Николсоновом методом46,47.
Хидрирани волфрам оксид (ХВО) је успешно синтетизован хидротермалном методом.СЕМ слика на сл.1а показује да се депонована ХВО састоји од кластера наночестица са величинама честица у опсегу од 25-50 нм.
Рендгенска дифракција ХВО показује пикове (001) и (002) на ~23,5° и ~47,5°, респективно, који су карактеристични за нестехиометријски ВО2.63 (В32О84) (ПДФ 077–0810, а = 21.4 А, б = 17,8 А, ц = 3,8 А, α = β = γ = 90°), што одговара његовој привидној плавој боји (сл. 1б)48,49.Остали врхови на приближно 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° и 52,7° су на (140), (620), (350), (720), (740), (560).и (970) раван дифракције, респективно, 49 орторомбних ВО2.63.Сонгара и др.43 користио је исти синтетички метод за добијање белог производа, који је приписан присуству ВО3(Х2О)0,333.Међутим, у овом раду, услед различитих услова, добијен је плаво-сиви производ који указује на коегзистенцију ВО3(Х2О)0,333 (ПДФ 087-1203, а = 7,3 А, б = 12,5 А, ц = 7,7 ) у А , α = β = γ = 90°) и редуковани облик волфрам оксида.Семиквантитативна анализа са софтвером КС'Перт ХигхСцоре показала је 26% ВО3(Х2О)0,333: 74% В32О84.Пошто се В32О84 састоји од В6+ и В4+ (1,67:1 В6+:В4+), процењени садржај В6+ и В4+ је око 72% В6+ и 28% В4+, респективно.СЕМ слике, 1-секундни КСПС спектри на нивоу језгра, ТЕМ слике, ФТИР спектри и Раман спектри Ц76 честица су представљени у нашем претходном раду24.Према Кавади ет ал.50,51, дијаграм рендгенске дифракције Ц76 показује моноклинску структуру ФЦЦ након уклањања толуена.
СЕМ слике на сл.2а и б показују успешно таложење ХВО и ХВО-50%Ц76 на и између угљеничних влакана УЦЦ електрода.Елементарно мапирање волфрама, угљеника и кисеоника на СЕМ слици на слици 2ц је приказано на сл.2д-ф показује да су волфрам и угљеник једнолико помешани (показујући сличну дистрибуцију) преко површине електроде и да се композит није равномерно депоновао.због природе начина падавина.
СЕМ слике депонованих ХВО честица (а) и ХВО-Ц76 честица (б).ЕДКС мапирање отпремљено на ХВО-Ц76 на УЦЦ користећи област на слици (ц) показује дистрибуцију волфрама (д), угљеника (е) и кисеоника (ф) у узорку.
ХР-ТЕМ је коришћен за снимање са великим увећањем и кристалографске информације (слика 3).ХВО показује морфологију нанокоцке као што је приказано на слици 3а и јасније на слици 3б.Увећањем нанокоцке за дифракцију изабраног подручја, структура решетке и раван дифракције које задовољавају Брагов закон могу се визуализовати као што је приказано на слици 3ц, потврђујући кристалност материјала.На уметку на слици 3ц приказано је растојање д 3,3 А које одговара (022) и (620) раванима дифракције у фазама ВО3(Х2О)0,333 и В32О84, 43, 44, 49, респективно.Ово је у складу са горњом КСРД анализом (слика 1б) пошто посматрано растојање у равни решетке д (слика 3ц) одговара најјачем КСРД пику у узорку ХВО.Узорци прстенова су такође приказани на сл.3д, где сваки прстен одговара посебној равни.Равни ВО3(Х2О)0.333 и В32О84 су обојене бело и плаво, респективно, а њихови одговарајући КСРД пикови су такође приказани на слици 1б.Први прстен приказан на узорку прстена одговара првом означеном пику на рендгенском узорку (022) или (620) дифракционе равни.Од (022) до (402) прстена пронађене су д-удаљености од 3,30, 3,17, 2,38, 1,93 и 1,69 А, које су у складу са КСРД вредностима од 3,30, 3,17, 2,45, 1,93 и 1,66.А, 44, 45, респективно.
(а) ХР-ТЕМ слика ХВО, (б) приказује увећану слику.Слике равни решетке су приказане у (ц), а уметак (ц) приказује увећану слику равни и интервала д 0,33 нм који одговара равнима (002) и (620).(д) узорак ХВО прстена који показује равни повезане са фазама ВО3(Х2О)0,333 (бела) и В32О84 (плава).
КСПС анализа је извршена да би се одредила хемија површине и оксидационо стање волфрама (Слике С1 и 4).Спектар КСПС скенирања широког опсега синтетизоване ХВО приказан је на Сл.С1, што указује на присуство волфрама.КСПС спектри уског скенирања главних нивоа В 4ф и О 1с приказани су на сл.4а и б, респективно.Спектар В 4ф је подељен на два спин-орбитна дублета који одговарају енергији везивања оксидационог стања В. Пикови В 4ф5/2 и В 4ф7/2 при енергијама везивања од 37,8 и 35,6 еВ припадају В6+, а пикови В 4ф5/2 и В 4ф7/2 на 36,6 и 34,9 еВ су карактеристични за стање В4+, респективно.Присуство оксидационог стања (В4+) даље потврђује формирање нестехиометријског ВО2.63, док присуство В6+ указује на стехиометријски ВО3 због ВО3(Х2О)0.333.Уклопљени подаци су показали да су атомски проценти В6+ и В4+ били 85% и 15%, респективно, што је било релативно близу вредностима процењеним из КСРД података, с обзиром на разлику између две технологије.Обе методе дају квантитативне информације са малом тачношћу, посебно КСРД.Поред тога, ове две методе анализирају различите делове материјала јер је КСРД масовна метода, док је КСПС површински метод који се приближава само неколико нанометара.О 1с спектар се дели на два пика на 533 (22,2%) и 530,4 еВ (77,8%).Први одговара ОХ, а други кисеониковим везама у решетки у ВО.Присуство ОХ функционалних група је у складу са својствима хидратације ХВО.
ФТИР анализа је такође извршена на ова два узорка да би се испитало присуство функционалних група и координисаних молекула воде у хидратисаној ХВО структури.Резултати показују да ХВО-50% Ц76 узорак и ФТ-ИР ХВО резултати изгледају исто због присуства ХВО, али се интензитет пикова разликује због различитих количина узорка коришћених током припреме за анализу (Сл. 5а ).ХВО-50% Ц76 Приказани су сви пикови фулерена 24 осим врха волфрам оксида.Детаљно на сл.Слика 5а показује да оба узорка показују веома јаку широку траку на ~ 710 / цм, која се приписује ОВО вибрацијама истезања у структури ХВО решетке, и снажно раме на ~ 840 / цм, приписано ВО.оштра трака на ~1610/цм повезана је са вибрацијом савијања ОХ, а широка трака апсорпције на ~3400/цм повезана је са вибрацијом истезања ОХ у хидроксилној групи43.Ови резултати су у складу са КСПС спектром на слици 4б, где функционална група ВО може да обезбеди активна места за ВО2+/ВО2+ реакцију.
ФТИР анализа ХВО и ХВО-50% Ц76 (а) која показује функционалне групе и мерења контактног угла (б, ц).
ОХ група такође може да катализује ВО2+/ВО2+ реакцију, чиме се повећава хидрофилност електроде, чиме се промовише дифузија и брзина преноса електрона.Узорак ХВО-50% Ц76 показује додатни Ц76 пик као што је приказано на слици.Врхови на ~2905, 2375, 1705, 1607 и 1445 цм3 могу се приписати вибрацијама истезања ЦХ, О=Ц=О, Ц=О, Ц=Ц и ЦО, респективно.Добро је познато да функционалне групе кисеоника Ц=О и ЦО могу послужити као активни центри за редокс реакције ванадијума.Да би се тестирала и упоредила квашење две електроде, коришћена су мерења контактног угла као што је приказано на слици 5б, ц.ХВО електрода одмах апсорбује капљице воде, што указује на суперхидрофилност због доступних ОХ функционалних група.ХВО-50% Ц76 је хидрофобнији, са контактним углом од око 135° након 10 секунди.Међутим, у електрохемијским мерењима, ХВО-50%Ц76 електрода је потпуно навлажена за мање од једног минута.Мерења влажења су у складу са КСПС и ФТИР резултатима, што сугерише да више ОХ група на површини ХВО чини је релативно хидрофилнијом.
Тестиране су ВО2+/ВО2+ реакције нанокомпозита ХВО и ХВО-Ц76 и очекивало се да ће ХВО потиснути еволуцију гаса хлора који се јавља током ВО2+/ВО2+ реакција у мешаним киселинама, док ће Ц76 даље катализирати жељени ВО2+/ВО2+.ХВО суспензије које садрже 10%, 30% и 50% Ц76 су примењене на УЦЦ електроде са укупним оптерећењем од око 2 мг/цм2.
Као што је приказано на сл.6, кинетика ВО2+/ВО2+ реакције на површини електроде је испитана коришћењем ЦВ у мешаним киселим електролитима.Струје су приказане као И/Ипа да би се олакшало поређење ΔЕп и Ипа/Ипц.Различити катализатори се добијају директно са слике.Подаци о тренутној јединици површине приказани су на слици 2С.На сл.Слика 6а показује да ХВО незнатно повећава брзину преноса електрона редокс реакције ВО2+/ВО2+ на површини електроде и потискује реакцију еволуције паразитског хлора.Међутим, Ц76 значајно повећава брзину преноса електрона и катализује реакцију еволуције хлора.Дакле, комплекс са исправним саставом ХВО и Ц76 треба да има најбољу активност и највећу способност да инхибира реакцију хлора.Утврђено је да се након повећања садржаја Ц76 побољшала електрохемијска активност електроде, о чему сведочи смањење ΔЕп и повећање односа Ипа/Ипц (Табела С3).Ово је такође потврђено РЦТ вредностима екстрахованим из Најквистове графике на слици 6д (табела С3), где је утврђено да су вредности РЦТ опадале са повећањем садржаја Ц76.Ови резултати су такође у складу са Лее-овом студијом у којој је додавање мезопорозног угљеника мезопорозном ВО3 побољшало кинетику преноса наелектрисања на ВО2+/ВО2+35.Ово сугерише да позитивна реакција може више зависити од проводљивости електроде (Ц=Ц веза)18,24,35,36,37.Због промене геометрије координације између [ВО(Х2О)5]2+ и [ВО2(Х2О)4]+, Ц76 такође може да смањи пренапрезање одговора смањењем енергије ткива.Међутим, то можда неће бити могуће са ХВО електродама.
(а) Циклично волтаметријско понашање УЦЦ и ХВО-Ц76 композита са различитим односима ХВО:Ц76 у ВО2+/ВО2+ реакцијама у 0,1 М ВОСО4/1 М Х2СО4 + 1 М ХЦл електролиту (при ν = 5 мВ/с).(б) Рандлес-Севчик и (ц) Николсонов ВО2+/ВО2+ метод за процену ефикасности дифузије и добијање к0 вредности (д).
Не само да је ХВО-50% Ц76 показао скоро исту електрокаталитичку активност као Ц76 за ВО2+/ВО2+ реакцију, већ је, што је још занимљивије, додатно потиснуо еволуцију гаса хлора у поређењу са Ц76, као што је приказано на слици.6а, поред приказа мањег полукруга на сл.6г (нижи РЦТ).Ц76 је показао већи привидни Ипа/Ипц од ХВО-50% Ц76 (Табела С3), не због побољшане реверзибилности реакције, већ због преклапања са врхом редукције хлора на 1,2 В у поређењу са СХЕ.Најбољи учинак ХВО-50% Ц76 се приписује синергији између негативно наелектрисаног високо проводљивог Ц76 и високе квашљивости и каталитичке функционалности В-ОХ на ХВО.Док ће мање емисије хлора побољшати ефикасност пуњења пуне ћелије, побољшана кинетика ће повећати ефикасност напона пуне ћелије.
Према једначини С1, за квази-реверзибилну (релативно спор пренос електрона) реакцију контролисану дифузијом, вршна струја (ИП) зависи од броја електрона (н), површине електроде (А), коефицијента дифузије (Д), броја коефицијента преноса електрона (α) и брзине скенирања (ν).Да би се проучавало понашање испитиваних материјала контролисано дифузијом, веза између ИП и ν1/2 је нацртана и приказана на слици 6б.Пошто сви материјали показују линеарну везу, реакција се контролише дифузијом.Пошто је реакција ВО2+/ВО2+ квази-реверзибилна, нагиб линије зависи од коефицијента дифузије и вредности α (једначина С1).Због константног коефицијента дифузије (≈ 4 × 10–6 цм2/с)52, разлика у нагибу линије директно указује на различите вредности α, а самим тим и различите брзине преноса електрона на површину електроде, са Ц76 и ХВО -50 % Ц76, који показује најстрмије нагибе (највећа брзина преноса електрона).
Израчунати нискофреквентни Варбургови нагиби (В) приказани у табели С3 (слика 6д) имају вредности блиске 1 за све материјале, што указује на савршену дифузију редокс честица и потврђује линеарно понашање ИП у односу на ν1/2 за ЦВ.мерења .За ХВО-50% Ц76, Варбургов нагиб одступа од јединице до 1,32, што указује на допринос не само полу-бесконачне дифузије реактаната (ВО2+), већ и могућег понашања танког слоја у понашању дифузије услед порозности електроде.
Да би се даље анализирала реверзибилност (брзина преноса електрона) ВО2+/ВО2+ редокс реакције, коришћена је и Николсонова метода квазиреверзибилне реакције за одређивање стандардне константе брзине к041.42.Ово се ради цртањем бездимензионалног кинетичког параметра Ψ као функције ΔЕп као функције ν−1/2 помоћу С2 једначине.Табела С4 приказује резултујуће вредности Ψ за сваки материјал електроде.Нацртајте резултате (слика 6ц) да бисте добили к0 × 104 цм/с (написано поред сваког реда и представљено у табели С4) користећи једначину С3 за нагиб сваке графике.Утврђено је да ХВО-50% Ц76 има највећи нагиб (слика 6ц), а самим тим и највећу вредност к0 од 2,47 × 10–4 цм/с.То значи да ова електрода обезбеђује најбржу кинетику у складу са резултатима ЦВ и ЕИС на сликама 6а и д и Табели С3.Поред тога, вредности к0 су такође добијене из Најквистових дијаграма (слика 6д) једначине С4 коришћењем РЦТ вредности (табела С3).Ови к0 резултати из ЕИС-а су сажети у табели С4 и такође показују да ХВО-50% Ц76 показује највећу брзину преноса електрона због синергистичког ефекта.Иако се вредност к0 разликује због различитог порекла сваке методе, она и даље показује исти ред величине и показује доследност.
Да би се у потпуности разумела одлична кинетика која се може постићи, важно је упоредити оптимални материјал електроде са неизолованим УЦЦ и ТЦЦ електродама.За ВО2+/ВО2+ реакцију, ХВО-Ц76 не само да је показао најнижи ΔЕп и бољу реверзибилност, већ је такође значајно потиснуо реакцију еволуције паразитског хлора у поређењу са ТЦЦ, на шта указује значајан пад струје на 1,45 В у поређењу са ОХА (Сл. 7а).Што се тиче стабилности, претпоставили смо да је ХВО-50% Ц76 физички стабилан јер је катализатор помешан са ПВДФ везивом, а затим нанет на електроде од угљеничне тканине.У поређењу са 50 мВ за УЦЦ, ХВО-50% Ц76 је показао помак врха од 44 мВ након 150 циклуса (стопа деградације 0,29 мВ/циклус) (Слика 7б).Можда није велика разлика, али кинетика УЦЦ електрода је веома спора и деградира се са циклусом, посебно за повратну реакцију.Иако је реверзибилност ТЦЦ-а много боља од оне код УЦЦ-а, утврђено је да ТЦЦ има велики помак врха од 73 мВ након 150 циклуса, што може бити због велике количине хлора који се ослобађа са његове површине.Да би се осигурало да катализатор добро пријања на површину електроде.Као што се може видети на свим тестираним електродама, чак и оне без подржаних катализатора показују различите степене циклусне нестабилности, што сугерише да су промене у раздвајању врхова током циклуса последица деактивације материјала услед хемијских промена, а не одвајања катализатора.Такође, ако би се велика количина честица катализатора одвојила од површине електроде, то би довело до значајног повећања раздвајања пикова (не само за 44 мВ), пошто је супстрат (УЦЦ) релативно неактиван за ВО2+/ВО2+ редокс реакција.
Поређење ЦВ (а) и стабилности редокс реакције ВО2+/ВО2+ (б) оптималног материјала електроде у односу на ЦЦЦ.У електролиту 0,1 М ВОСО4/1 М Х2СО4 + 1 М ХЦл, сви ЦВ су једнаки ν = 5 мВ/с.
Да би се повећала економска привлачност ВРФБ технологије, побољшање и разумевање кинетике редокс реакције ванадијума је од суштинског значаја за постизање високе енергетске ефикасности.Припремљени су композити ХВО-Ц76 и испитан је њихов електрокаталитички ефекат на реакцију ВО2+/ВО2+.ХВО је показао мало кинетичко побољшање, али је значајно потиснуо еволуцију хлора у мешаним киселим електролитима.Различити односи ХВО:Ц76 су коришћени за даљу оптимизацију кинетике електрода заснованих на ХВО.Повећање садржаја Ц76 у ХВО може побољшати кинетику преноса електрона реакције ВО2+/ВО2+ на модификованој електроди, међу којима је ХВО-50% Ц76 најбољи материјал јер смањује отпор преноса наелектрисања и даље потискује еволуцију гаса хлора у поређењу са Ц76.и ТЦЦ су пуштени.Ово је било због синергистичког ефекта између Ц=Ц сп2 хибридизације, ОХ и В-ОХ функционалних група.Утврђено је да је стопа разградње ХВО-50% Ц76 0,29 мВ/циклус под вишеструким циклусима, док су УЦЦ и ТЦЦ 0,33 мВ/циклус односно 0,49 мВ/циклус, што га чини веома стабилним у мешаним киселим електролитима.Приказани резултати успешно идентификују материјале електрода високих перформанси за ВО2+/ВО2+ реакцију са брзом кинетиком и високом стабилношћу.Ово ће повећати излазни напон, чиме ће се побољшати енергетска ефикасност ВРФБ-а, чиме ће се смањити трошкови његове будуће комерцијализације.
Скупови података коришћени и/или анализирани у тренутној студији доступни су од одговарајућих аутора на разуман захтев.
Лудерер Г. ет ал.Процена енергије ветра и сунца у глобалним енергетским сценаријима са ниским садржајем угљеника: Увод.Енерги Ецономицс.64, 542–551.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.енецо.2017.03.027 (2017).
Лее, ХЈ, Парк, С. и Ким, Х. Анализа утицаја депозиције МнО2 на перформансе батерија са редокс протоком ванадијум-мангана.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.165(5), А952-А956.хттпс://дои.орг/10.1149/2.0881805јес (2018).
Схах, ​​АА, Тангирала, Р., Сингх, Р., Виллс, РГА и Валсх, ФК Динамички модел јединичне ћелије за потпуно ванадијумску редокс батерију.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.158(6), А671.хттпс://дои.орг/10.1149/1.3561426 (2011).
Гандоми, ИА, Аарон, ДС, Заводзински, ТА, и Менцх, ММ. Модел за мерење и верификацију потенцијалне дистрибуције на лицу места за потпуно редокс батерију са редокс протоком ванадијума.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.163(1), А5188-А5201.хттпс://дои.орг/10.1149/2.0211601јес (2016).
Тсусхима, С. и Сузуки, Т. Моделирање и симулација ванадијум редокс батерије са интердигиталним флуксним пољем за оптимизацију структуре електроде.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.167(2), 020553. хттпс://дои.орг/10.1149/1945-7111/аб6дд0 (2020).
Сун, Б. и Скиллас-Казакос, М. Модификација материјала графитних електрода за примену у Ванадијум редокс батеријама – И. Термичка обрада.електрохемија.Ацта 37(7), 1253–1260.хттпс://дои.орг/10.1016/0013-4686(92)85064-Р (1992).
Лиу, Т., Ли, С., Зханг, Х., и Цхен, Ј. Напредак у електродним материјалима за побољшање густине снаге у батеријама са протоком ванадијума (ВФБ).Ј. Енерги Цхемистри.27(5), 1292–1303.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.јецхем.2018.07.003 (2018).
Лиу, КХ ет ал.Високоефикасна проточна редокс ћелија ванадијума са оптимизованом конфигурацијом електрода и избором мембране.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.159(8), А1246-А1252.хттпс://дои.орг/10.1149/2.051208јес (2012).
Веи, Г., Јиа, К., Лиу, Ј., анд Ианг, К. Композитне катализаторске електроде од угљеничних наноцеви са подршком од угљеничног филца за апликације ванадијум редокс батерија.Ј. Напајање.220, 185-192.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.јповсоур.2012.07.081 (2012).
Моон, С., Квон, БВ, Цханг, И., анд Квон, И. Ефекат бизмут сулфата депонованог на закисељене ЦНТ на перформансе батерија са редокс протоком ванадијума.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.166(12), А2602.хттпс://дои.орг/10.1149/2.1181912јес (2019).
Хуанг, Р.-Х.чекати.Активне електроде модификоване платинастим/вишезидним угљеничним наноцевима за батерије са редокс протоком ванадијума.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.159(10), А1579.хттпс://дои.орг/10.1149/2.003210јес (2012).
Али, С. ет ал.Ванадијум редокс батерија користи електрокатализаторе украшене угљеничним наноцевима допираним азотом добијеним из органометалних скела.Ј. Елецтроцхемистри.друштво.165(7), А1388.хттпс://дои.орг/10.1149/2.0621807јес (2018).
Кхан, П. ет ал.Графен оксидни нанолистови као одлични електрохемијски активни материјали за ВО2+/ и В2+/В3+ редокс парове за ванадијум редокс батерије.Царбон 49(2), 693–700.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.царбон.2010.10.022 (2011).
Гонзалез, З. ет ал.Одличне електрохемијске перформансе графен-модификованог графитног филца за ванадијум редокс батерије.Ј. Напајање.338, 155-162.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.јповсоур.2016.10.069 (2017).
Гонзалез З., Визириану С., Динесцу Г., Бланцо С. и Сантамариа Р. Филмови од угљеничних нанозида као наноструктурирани електродни материјали у батеријама са редокс протоком ванадијума.Нано Енерги 1(6), 833–839.хттпс://дои.орг/10.1016/ј.наноен.2012.07.003 (2012).
Опар ДО, Нанкиа Р., Лее Ј. и Иунг Х. Тродимензионални графен-модификовани мезопорозни угљенични филц за батерије са редокс протоком ванадијума високих перформанси.електрохемија.Закон 330, 135276. хттпс://дои.орг/10.1016/ј.елецацта.2019.135276 (2020).