Wolframoxid/Fulleren

Jul 01, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14348 (2022) Diesen Artikel zitieren

Die relativ hohen Kosten von Voll-Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) schränken ihren breiten Einsatz ein. Eine Verbesserung der Kinetik der elektrochemischen Reaktionen ist erforderlich, um die Leistungsdichte und Energieeffizienz des VRFB zu erhöhen und damit die kWh-Kosten von VRFBs zu senken. In dieser Arbeit wurden hydrothermisch synthetisierte Nanopartikel aus hydratisiertem Wolframoxid (HWO), C76 und C76/HWO, auf Kohlenstoffgewebeelektroden abgeschieden und als Elektrokatalysatoren für die VO2+/VO2+-Redoxreaktionen getestet. Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM), Röntgenbeugung (XRD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Zur Charakterisierung des Elektrodenmaterials wurden Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Kontaktwinkelmessungen eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe des C76-Fullerens zu HWO die Elektrodenkinetik in Richtung der VO2+/VO2+-Redoxreaktion steigert, indem die Leitfähigkeit erhöht und sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen an der Oberfläche bereitgestellt werden. Ein Verbundstoff aus HWO/C76 (50 Gew.-% C76) erwies sich als optimal für die VO2+/VO2+-Reaktion und zeigte einen ΔEp von 176 mV, verglichen mit 365 mV im Fall von unbehandeltem Kohlenstoffgewebe (UCC). Darüber hinaus zeigten HWO/C76-Komposite aufgrund der W-OH-Funktionsgruppen eine signifikante Hemmwirkung auf die parasitäre Chlorentwicklungsreaktion.

Die intensiven menschlichen Aktivitäten und die rasante industrielle Revolution haben zu einem unaufhaltsam hohen Bedarf an elektrischer Energie geführt, der jährlich um etwa 3 % steigt1. Die umfangreiche Nutzung fossiler Brennstoffe als Energiequelle über mehrere Jahrzehnte hinweg führte zu Treibhausgasemissionen, die zur globalen Erwärmung, Wasser- und Luftverschmutzung beigetragen haben und das gesamte Ökosystem bedrohen. Daher wird erwartet, dass der Anteil sauberer und erneuerbarer Wind- und Solarenergie bis zum Jahr 2050 bis zu 75 % der gesamten elektrischen Energie erreichen wird1. Allerdings wird das Stromnetz instabil, wenn der Strom aus erneuerbaren Energiequellen 20 % der gesamten erzeugten Energie übersteigt1 . Die Entwicklung effizienter Energiespeichersysteme ist für einen solchen Übergang von entscheidender Bedeutung, da sie überschüssigen Strom speichern und Angebot und Nachfrage ausgleichen müssen.

Unter allen Energiespeichersystemen wie Hybrid-Vanadium-Redox-Flow-Batterien2 sind Voll-Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile3 die am weitesten entwickelten und gelten als optimale Lösung für die langfristige Energiespeicherung (~ 30 Jahre). in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen4. Dies ist auf die Entkopplung von Leistungs- und Energiedichten, schnelle Reaktion, lange Lebensdauer und relativ niedrige jährliche Kosten von 65 $/kWh im Vergleich zu 93–140 $/kWh und 279–420 $/kWh für Li-Ionen und Bleisäure zurückzuführen Batterien bzw.4.

Ihre umfassende Kommerzialisierung wird jedoch immer noch durch die relativ hohen Systemkapitalkosten behindert, die vor allem auf den Zellstapel zurückzuführen sind4,5. Daher kann eine Verbesserung der Leistung des Zellstapels durch Erhöhung der Kinetik beider Halbzellenreaktionen die Größe des Stapels und damit die Kosten verringern. Daher ist ein schneller Elektronentransfer an der Elektrodenoberfläche erforderlich, der vom Design, der Zusammensetzung und der Struktur der Elektrode abhängt und sorgfältig optimiert werden muss6. Obwohl kohlenstoffbasierte Elektroden eine gute chemische und elektrochemische Stabilität sowie eine gute Leitfähigkeit aufweisen, leiden sie ohne Behandlung unter einer trägen Kinetik aufgrund des Mangels an funktionellen Sauerstoffgruppen und der Hydrophilie7,8. Daher wurden in die kohlenstoffbasierten Elektroden unterschiedliche Elektrokatalysatoren eingebaut, insbesondere Kohlenstoffnanostrukturen und Metalloxide, um die Kinetik an beiden Elektroden zu verbessern und die Kinetik an den VRFB-Elektroden zu erhöhen.

Viele Kohlenstoffmaterialien wurden verwendet, wie etwa Kohlepapier9, Kohlenstoffnanoröhren10,11,12,13, Nanostrukturen auf Graphenbasis14,15,16,17, Kohlenstoffnanofasern18 und andere19,20,21,22,23, mit Ausnahme der Fullerenfamilie . In unserer früheren Arbeit zu C76 berichteten wir zum ersten Mal über die überlegene elektrokatalytische Aktivität dieses Fullerens gegenüber VO2+/VO2+ und zeigten eine Verringerung des Ladungsübertragungswiderstands um 99,5 % bzw. 97 % im Vergleich zu thermisch behandeltem und unbehandeltem Kohlenstoffgewebe24. Eine Zusammenfassung der katalytischen Leistung der Kohlenstoffmaterialien bei den VO2+/VO2+-Reaktionen im Vergleich zu C76 ist in Tabelle S1 gegeben. Andererseits wurden viele Metalloxide verwendet, wie CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 und WO331,32,33,34,35,36,37,38, aufgrund ihrer verbesserten Benetzbarkeit und reichlich vorhandenen Sauerstofffunktion Gruppen. Eine Zusammenfassung der katalytischen Leistung dieser Metalloxide bei VO2+/VO2+-Reaktionen ist in Tabelle S2 gegeben. Zahlreiche Veröffentlichungen verwendeten WO3 aufgrund seiner geringen Kosten, seiner hohen Stabilität in sauren Medien und seiner hohen katalytischen Aktivität31,32,33,34,35,36,37,38. Allerdings zeigte WO3 eine unbedeutende Verbesserung der Kinetik der positiven Elektrode. Um die Leitfähigkeit von WO3 zu verbessern, wurde die Auswirkung der Verwendung von reduziertem Wolframoxid (W18O49) auf die Aktivität der positiven Elektrode getestet38. Das hydratisierte Wolframoxid (HWO) wurde in der VRFB-Anwendung nie getestet, obwohl es in der Superkondensatoranwendung aufgrund der schnelleren Kationendiffusion im Vergleich zum wasserfreien WOx39,40 eine erhöhte Aktivität zeigte. Die dritte Generation von Vanadium-Redox-Flow-Batterien verwendet einen gemischten Säureelektrolyten aus HCl und H2SO4, um die Leistung der Batterien zu verbessern und die Löslichkeit und Stabilität von Vanadiumionen im Elektrolyten zu erhöhen. Die parasitäre Chlorentwicklungsreaktion wurde jedoch zu einem der Nachteile der dritten Generation, und daher wurde die Suche nach einer Möglichkeit zur Unterdrückung der Chlorbewertungsreaktion zum Anliegen mehrerer Forschungsgruppen41.

Hierin wurden auf Kohlenstoffgewebeelektroden abgeschiedene HWO/C76-Verbundwerkstoffe auf die VO2+/VO2+-Reaktion getestet, mit dem Ziel, ein Gleichgewicht zwischen der Leitfähigkeit der Verbundwerkstoffe und der Kinetik der Redoxreaktion an der Elektrodenoberfläche zu finden und zusätzlich die parasitäre Chlorentwicklung zu hemmen Reaktion (CER). Hydratisierte Wolframoxid-Nanopartikel (HWO) wurden über einfache hydrothermale Methoden synthetisiert. Es wurden Experimente mit dem gemischten Säureelektrolyten (H2SO4/HCl) durchgeführt, um die VRFB der 3. Generation (G3) für mehr Praktikabilität zu imitieren und die Wirkung von HWO auf die parasitäre Chlorentwicklungsreaktion zu untersuchen42.

Vanadium(IV)sulfatoxidhydrat (VOSO4, 99,9 %, Alfa-Aeser), Schwefelsäure (H2SO4), Salzsäure (HCl), Dimethylformamid (DMF, Sigma-Aldrich), Polyvinylidenfluorid (PVDF, Sigma-Aldrich), Natrium In dieser Studie wurden Wolframoxiddihydrat (Na2WO4, 99 %, Sigma-Aldrich) und ELAT Hydrophilic Plain Carbon Cloth (Fuel Cell Store) verwendet.

Hydratisiertes Wolframoxid (HWO) wurde durch eine hydrothermale Reaktion43 hergestellt, bei der 2 g Na2WO4-Salz in 12 ml H2O gelöst wurden, was eine farblose Lösung ergab. Anschließend wurden 12 ml 2 M HCl tropfenweise zugegeben, was eine blassgelbe Suspension ergab . Diese Suspension wurde 3 Stunden lang in einem mit Teflon ausgekleideten Edelstahlautoklaven in einem Ofen bei 180 °C platziert, um die hydrothermale Reaktion durchzuführen. Der Rückstand wurde durch Filtration gesammelt, dreimal mit Ethanol und H2O gewaschen, etwa 3 Stunden lang im Ofen bei 70 °C getrocknet und dann gemahlen, um das graublaue HWO-Pulver zu erhalten.

Die so erhaltenen (unbehandelten) Kohlenstoffgewebeelektroden (UCC) wurden so wie sie sind verwendet oder in einem Röhrenofen an der Luft bei 450 °C 10 Stunden lang mit einer Heizrate von 15 °C/min thermisch behandelt, um behandeltes CC (TCC) herzustellen ), wie im vorherigen Artikel24. UCC und TCC wurden in Elektroden mit einer Breite von ca. 1,5 cm und einer Länge von 7 cm geschnitten. C76-, HWO-, HWO-10 % C76-, HWO-30 % C76- und HWO-50 % C76-Suspensionen wurden durch Zugabe von 20 mg des Aktivmaterialpulvers und 10 Gew.-% (~ 2,22 mg) PVDF-Binder in ~ 1 ml DMF hergestellt und 1 Stunde lang beschallen, um die Homogenität zu verbessern. Anschließend wurden 2 mg C76-, HWO- und HWO-C76-Komposite auf eine aktive Elektrodenfläche von ca. 1,5 cm2 UCC geladen. Alle Katalysatoren wurden auf UCC-Elektroden geladen und TCC wurde nur zum Vergleich verwendet, da in unserer vorherigen Arbeit gezeigt wurde, dass eine thermische Behandlung nicht erforderlich ist24. Die Gussabscheidung wurde durch Aufbürsten von 100 µL der Suspension (2 mg Beladung) für mehr Homogenität erreicht. Anschließend wurden alle Elektroden über Nacht bei 60 °C im Ofen getrocknet. Die Elektroden wurden vorher und nachher gemessen, um eine genaue Massenbelastung sicherzustellen. Um eine bestimmte geometrische Fläche (~ 1,5 cm2) zu haben und zu verhindern, dass der Vanadiumelektrolyt durch Kapillarwirkung an der Elektrode hochsteigt, wurde eine dünne Wachsschicht auf das Aktivmaterial aufgetragen.

Zur Beobachtung der Oberflächenmorphologie des HWO wurde Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60, 5 kV) verwendet. Für die Elementkartierung von HWO-50 % C76 auf UCC-Elektroden wurde energiedispersive Röntgenspektroskopie im Feii8SEM (EDX, Zeiss Inc.) verwendet. Ein hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM, JOEL JEM-2100), das mit einer Beschleunigungsspannung von 200 kV arbeitet, wurde verwendet, um eine höher aufgelöste Abbildung und ein Beugungsringmuster von HWO-Partikeln zu liefern. Die Software Crystallographic Tool Box (CrysTBox) wurde verwendet, um das Beugungsringmuster von HWO mithilfe der ringGUI-Funktion zu analysieren, und die Ergebnisse wurden mit dem XRD-Muster verglichen44. Die Struktur und Graphitisierung von UCC und TCC wurden durch Röntgenbeugung (XRD) bei einer Scanrate von 2,4°/min von 5° bis 70° mit Cu Kα (λ = 1,54060 Å) unter Verwendung eines panalytischen Röntgendiffraktometers analysiert ( Modell 3600). Die Kristallstruktur und Phase von HWO wurden durch XRD enthüllt. Die PANalytical X'Pert HighScore-Software wurde verwendet, um die HWO-Peaks mit den in der Datenbank verfügbaren Wolframoxidkarten abzugleichen45. Die Ergebnisse für HWO wurden mit den TEM-Ergebnissen verglichen. Die chemische Zusammensetzung und der Zustand der HWO-Proben wurden durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific) bestimmt. Zur Entfaltung der Peaks und zur Datenanalyse wurde die CASA-XPS-Software (Version 2.3.15) verwendet. Zur Bestimmung der Oberflächenfunktionsgruppen von HWO und HWO-50 % C76 wurden Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie-Messungen (FTIR, Perkin Elmer-Spektrometer unter Verwendung von KBr FTIR-Qualität) durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit XPS-Ergebnissen verglichen. Kontaktwinkelmessungen (KRUSS DSA25) wurden auch verwendet, um die Benetzbarkeit der Elektroden zu charakterisieren.

Für alle elektrochemischen Messungen wurde eine Biologic SP 300-Workstation eingesetzt. Cyclovoltammetrie (CV) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurden verwendet, um die Elektrodenkinetik der VO2+/VO2+-Redoxreaktion und die Wirkung der Reaktantendiffusion (VOSO4 (VO2+)) auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu untersuchen. Für beide Techniken wurde eine Drei-Elektroden-Zelle mit einer Elektrolytkonzentration von 0,1 M VOSO4 (V4+) in 1 M H2SO4 + 1 M HCl (Mischsäure) verwendet. Alle gemeldeten elektrochemischen Daten wurden IR-korrigiert. Als Referenz- bzw. Gegenelektroden wurden eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) und eine Platinspule (Pt) verwendet. Für CV wurden Scanraten (ν) von 5, 20 und 50 mV/s bei einem Potentialfenster von (0–1) V vs. SCE für VO2+/VO2+ angewendet und dann auf die SHE-Skala für die Darstellung von Zahlen (VSCE) korrigiert = 0,242 V vs. VSHE). Um die Aktivitätserhaltung der Elektroden zu untersuchen, wurden wiederholte zyklische CVs bei ν von 5 mV/s für UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO und UCC-HWO-50 % C76 durchgeführt. Für EIS-Messungen wurde für die VO2+/VO2+-Redoxreaktion ein Frequenzbereich von 0,01–105 Hz mit einer Spannungsstörung von 10 mV bei der Leerlaufspannung (OCV) verwendet. Jedes Experiment wurde zwei- bis dreimal wiederholt, um die Konsistenz der Ergebnisse sicherzustellen. Die heterogenen Geschwindigkeitskonstanten (k0) wurden mit der Methode von Nicholson46,47 ermittelt.

Hydratisiertes Wolframoxid (HWO) wurde erfolgreich über die hydrothermale Methode synthetisiert. Das REM-Bild in Abb. 1a zeigte, dass das abgeschiedene HWO aus Clustern von Nanopartikeln mit Partikelgrößen im Bereich von 25–50 nm besteht.

Das (a) SEM-Bild und (b) XRD-Spektrum von HWO mit allen Beugungsebenen.

Das XRD-Muster des HWO zeigte (001)- und (002)-Peaks bei ~ 23,5° bzw. ~ 47,5°, charakteristisch für das nichtstöchiometrische WO2,63 (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21,4 Å, b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90°) im Einklang mit ihrer scheinbaren blauen Farbe (Abb. 1b)48,49. Andere Spitzen bei etwa 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° und 52,7° werden (140), (620), (350), (720), (740), (560) zugeordnet )- und (970)-Beugungsebenen von orthorhombischem WO2.6349. Songara et al.43 erhielten mit der gleichen Synthesemethode ein weißes Produkt, was mit der Existenz von WO3(H2O)0,333 in Zusammenhang steht. Allerdings wurde in dieser Arbeit aufgrund der unterschiedlichen Bedingungen ein blaugraues Farbprodukt erhalten, was auf die Koexistenz beider WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7,3 Å, b = 12,5 Å, c = 7,7) hinweist Å, α = β = γ = 90°) und die reduzierte Form von Wolframoxid. Die mit der X'Pert HighScore-Software durchgeführte semiquantitative Analyse ergab 26 % WO3(H2O)0,333: 74 % W32O84. Da W32O84 aus W6+ und W4+ besteht (1,67:1 von W6+:W4+), beträgt der geschätzte Gehalt an W6+ und W4+ etwa 72 % W6+ bzw. 28 % W4+. SEM-Bilder, 1-s-Kernebene-XPS-Spektren, TEM-Bilder, FTIR- und Raman-Spektren von C76-Partikeln werden in unserem vorherigen Artikel24 beschrieben. Laut Kawada et al.50,51 zeigte das XRD-Muster von C76 nach Entfernung von Toluol eine monokline FCC-Struktur.

Die REM-Bilder in Abb. 2a und b zeigen die erfolgreiche Abscheidung von HWO und HWO-50 % C76 auf und zwischen den Kohlenstofffasern von UCC-Elektroden. Die EDX-Elementkartierung von Wolfram, Kohlenstoff und Sauerstoff für das REM-Bild in Abb. 2c, die in Abb. 2d – f gezeigt wird, zeigt, dass Wolfram und Kohlenstoff auf der gesamten Elektrodenoberfläche gleichmäßig gemischt sind (mit ähnlicher Verteilung), wobei der Verbundstoff ungleichmäßig ist aufgrund der Art der Abscheidungsmethode abgeschieden.

REM-Bilder der (a) abgeschiedenen HWO- und (b) HWO-C76-Partikel. Die EDX-Kartierung des auf UCC geladenen HWO-C76 unter Verwendung des Bereichs in Bild (c) zeigt die Verteilung von Wolfram (d), Kohlenstoff (e) und Sauerstoff (f) in der Probe.

HR-TEM wurde für hochvergrößerte Bildgebungs- und Kristallographieinformationen eingesetzt (Abb. 3). Das HWO zeigte eine Nanowürfelmorphologie, wie in Abb. 3a und deutlicher in Abb. 3b zu sehen ist. Beim Zoomen auf die Nanowürfel für die Beugung ausgewählter Bereiche konnten die Gitterstruktur und die Beugungsebenen, die das Braggsche Gesetz erfüllen, wie in Abb. 3c dargestellt visualisiert werden, was die Kristallinität des Materials bestätigt. Der Einschub in Abb. 3c zeigt einen d-Abstand von 3,3 Å, der den (022)- und (620)-Beugungsebenen entspricht, die in den Phasen WO3(H2O)0,333 bzw. W32O84 gefunden werden43,44,49. Dies steht im Einklang mit der obigen XRD-Analyse (Abb. 1b), da der d-Abstand der beobachteten Gitterebene (Abb. 3c) dem intensivsten XRD-Peak in der HWO-Probe entspricht. Das Ringmuster ist auch in Abb. 3d dargestellt, wobei jeder Ring einer anderen Ebene entspricht. Die Ebenen WO3(H2O)0.333 und W32O84 sind in Weiß bzw. Blau dargestellt, wobei ihre jeweiligen XRD-Peaks auch in Abb. 1b dargestellt sind. Der erste im Ringmuster gezeigte Ring entspricht dem ersten markierten Peak im XRD-Muster der Beugungsebene (022) oder (620). Für die Ringe (022) bis (402) wurden Werte für den d-Abstand von 3,30, 3,17, 2,38, 1,93 und 1,69 Å gefunden, was mit den XRD-Werten von 3,30, 3,17, 2,45, 1,93 und 1,66 Å übereinstimmt bzw.44,45.

(a) Das HR-TEM-Bild des HWO, wobei (b) ein vergrößertes Bild zeigt. Ein Bild der Gitterebenen ist in (c) dargestellt, wobei der Einschub von (c) ein vergrößertes Bild der Ebenen und einen d-Abstand von 0,33 nm zeigt, was den (002)- und (620)-Ebenen entspricht. (d) Das Ringmuster des HWO, das die Ebenen zeigt, die mit den Phasen WO3(H2O)0,333 (weiß) und W32O84 (blau) verbunden sind.

Die XPS-Analyse wurde durchgeführt, um die Oberflächenchemie und den Oxidationszustand von Wolfram zu bestimmen (Abb. S1 und 4). Das weitreichende XPS-Scanspektrum des synthetisierten HWO ist in Abb. S1 dargestellt und weist auf das Vorhandensein von Wolfram hin. Die XPS-Narrow-Scan-Spektren der W 4f- und O 1s-Kernniveaus sind in Abb. 4a bzw. b dargestellt. Das W 4f-Spektrum wurde in zwei Spin-Bahn-Dublett-Peaks aufgeteilt, die den Bindungsenergien der W-Oxidationsstufen entsprechen. Während die W 4f5/2- und W 4f7/2-Peaks bei Bindungsenergien von 37,8 und 35,6 eV W6+ zugeschrieben werden, sind die W 4f5/2- und W 4f7/2-Peaks bei 36,6 bzw. 34,9 eV charakteristisch für den W4+-Zustand 40. Das Vorhandensein einer niedrigeren Oxidationsstufe (W4+) bestätigt weiterhin die Bildung von nichtstöchiometrischem WO2.63, während das Vorhandensein von W6+ auf stöchiometrisches WO3 hinweist, das WO3(H2O)0.333 zugeschrieben wird. Die Anpassungsdaten zeigen, dass die Atomprozentsätze von W6+ und W4+ 85 % bzw. 15 % betragen, was relativ nahe an den anhand der XRD-Daten geschätzten Werten liegt, wenn man die Unterschiede zwischen den beiden Techniken berücksichtigt. Beide Techniken liefern quantitative Informationen mit geringer Genauigkeit, insbesondere XRD. Darüber hinaus analysieren die beiden Techniken einen unterschiedlichen Anteil der Materialien, da es sich bei der XRD um eine Massentechnik handelt, während es sich bei der XPS um eine Oberflächentechnik handelt, die sich nur wenigen Nanometern nähert. Das O 1s-Spektrum wurde in zwei Peaks bei 533 (22,2 %) und 530,4 eV (77,8 %) entfaltet. Ersteres entspricht O–H, während letzteres der Sauerstoffbindung im Kristallgitter in W–O zugeschrieben wird. Das Vorhandensein der funktionellen O-H-Gruppe steht im Einklang mit der hydratisierten Natur von HWO.

XPS-Narrow-Scan-Spektrum von (a) W4f. und (b) O1s für das synthetisierte HWO.

Die FTIR-Analyse wurde auch für diese beiden Proben durchgeführt, um das Vorhandensein funktioneller Gruppen und der koordinierten Wassermoleküle in der hydratisierten HWO-Struktur zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ergebnisse der HWO-50 % C76-Probe und der HWO-FT-IR-Ergebnisse aufgrund des Vorhandenseins von HWO ähnlich zu sein scheinen, jedoch aufgrund der unterschiedlichen Probenmenge, die während der Vorbereitung für die Analyse verwendet wurde, unterschiedliche Peakintensitäten aufweisen (Abb. 5a). . Das HWO-50 % C76 zeigt alle Peaks, die für Fulleren24 gemeldet wurden, zusätzlich zu den Peaks für Wolframoxid. Im Detail zeigt Abb. 5a, dass beide Proben ein sehr starkes Breitband bei ~ 710/cm aufwiesen, das der O-W-O-Streckschwingung in der HWO-Gitterstruktur zugeordnet ist, und eine intensive Schulter bei ~ 840/cm, die der W-O-Streckschwingung zugeordnet ist Schwingung, eine scharfe Bande bei ~ 1610/cm, die sich auf die O-H-Biegeschwingung bezieht, und eine breite Absorptionsbande bei ~ 3400/cm, die der O-H-Streckschwingung in Hydroxylgruppen zugeordnet ist43. Diese Ergebnisse stimmen mit den XPS-Spektren in Abb. 4b überein, in denen funktionelle WO-Gruppen aktive Zentren für die VO2+/VO2+-Reaktion bereitstellen könnten.

FTIR-Analyse (a) von HWO und HWO-50 % C76 mit Angabe der funktionellen Gruppen und der Kontaktwinkelmessungen (b, c).

Die O-H-Gruppen könnten auch die VO2+/VO2+-Reaktion katalysieren und gleichzeitig die Hydrophilie der Elektrode erhöhen, wodurch die Diffusion und die Elektronentransferrate erleichtert werden. Die HWO-50 % C76-Probe wies zusätzliche Peaks für C76 auf, wie in der Grafik markiert. Die Peaks bei ~ 2905, 2375, 1705, 1607 und 1445/cm konnten den Streckschwingungen C–H, O=C=O, C=O, C=C bzw. C–O zugeordnet werden14. Wie bereits bekannt, könnten funktionelle C=O- und C-O-Sauerstoffgruppen als aktive Zentren für Vanadium-Redoxreaktionen fungieren. Um die Benetzbarkeit beider Elektroden zu testen und zu vergleichen, wurden Kontaktwinkelmessungen durchgeführt, wie in Abb. 5b, c dargestellt. Die HWO-Elektrode absorbierte den Wassertropfen sofort, was auf eine Superhydrophilie aufgrund der verfügbaren funktionellen O-H-Gruppen hinweist. Das HWO-50 % C76 war mit einem Kontaktwinkel von ~ 135° nach 10 s hydrophober. Bei den elektrochemischen Messungen wurde die HWO-50 % C76-Elektrode jedoch in weniger als einer Minute vollständig nass. Die Benetzbarkeitsmessungen stimmen mit den XPS- und FTIR-Ergebnissen überein, die zeigten, dass die häufiger vorkommenden O-H-Gruppen auf der Oberfläche von HWO es relativ hydrophiler machten.

HWO- und HWO-C76-Nanokomposite wurden auf die VO2+/VO2+-Reaktion getestet, mit der Erwartung, dass HWO die Chlorentwicklung hemmen würde, die während der VO2+/VO2+-Reaktion in gemischter Säure und C76 stattfindet, um die gewünschte VO2+/VO2+-Redoxreaktion weiter zu katalysieren . HWO-Suspensionen mit 10 %, 30 % und 50 % C76 wurden hergestellt und auf UCC-Elektroden mit einer Gesamtbeladung von ~ 2 mg/cm2 abgeschieden.

Die Reaktionskinetik von VO2+/VO2+ an der Elektrodenoberfläche wurde mithilfe von CV im gemischten Säureelektrolyten untersucht, wie in Abb. 6 dargestellt. Die Ströme wurden als I/Ipa angezeigt, um einen einfacheren Vergleich von ΔEp und Ipa/Ipc zwischen den zu ermöglichen verschiedene Katalysatoren direkt aus der Abbildung. Die aktuellen Daten pro Fläche sind in Abb. 2S dargestellt. Abbildung 6a zeigt, dass HWO die Elektronentransferrate der VO2+/VO2+-Redoxreaktion an der Elektrodenoberfläche leicht erhöht und die parasitäre Chlorentwicklungsreaktion hemmt. Während C76 die Elektronentransferrate erheblich erhöht und die Chlorentwicklungsreaktion katalysiert. Daher wird erwartet, dass ein Verbundstoff aus HWO und C76 mit der richtigen Zusammensetzung die beste Aktivität und die höchste Fähigkeit zur Unterdrückung der Chlorentwicklungsreaktion aufweist. Bei Erhöhung des C76-Gehalts verbesserte sich die elektrochemische Aktivität der Elektrode, wie aus dem verringerten ΔEp und dem erhöhten Ipa/Ipc-Verhältnis hervorgeht (Tabelle S3). Dies wurde auch durch die RCT-Werte (Tabelle S3) bestätigt, die aus dem Nyquist-Diagramm in Abb. 6d extrahiert wurden und bei denen festgestellt wurde, dass sie mit zunehmendem C76-Gehalt abnehmen. Diese Ergebnisse stimmten auch mit Lees Studie überein, in der die Zugabe von mesoporösem Kohlenstoff zu mesoporösem WO3 eine verbesserte Ladungsübertragungskinetik in Richtung VO2+/VO2+35 zeigte. Dies enthüllte die Tatsache, dass die positive Reaktion möglicherweise viel stärker von der Leitfähigkeit (C=C-Bindungen) der Elektrode abhängt18,24,35,36,37. Es könnte auch sein, dass C76 das Überpotential der Reaktion senkte, indem es die Organisationsenergie aufgrund der Änderung der Koordinationsgeometrie zwischen [VO(H2O)5]2+ und [VO2(H2O)4]+ verringerte. Dies kann jedoch mit der HWO-Elektrode möglicherweise nicht erreicht werden.

(a) Das zyklische Voltammetrieverhalten (bei ν = 5 mV/s) der UCC- und HWO-C76-Komposite mit unterschiedlichen HWO:C76-Verhältnissen für VO2+/VO2+-Reaktionen in 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl-Elektrolyt. (b) Randles-Sevcik- und (c) Nicholson-Methoden für VO2+/VO2+, um die Diffusionseffizienz abzuschätzen und die k0-Werte zu erhalten (d).

Es wurde festgestellt, dass HWO-50 % C76 nicht nur nahezu die gleiche elektrokatalytische Aktivität wie C76 gegenüber der VO2+/VO2+-Reaktion aufweist, sondern, was noch interessanter ist, die Chlorentwicklung im Vergleich zu C76 weiter hemmt, wie in Abb. 6a gezeigt, und außerdem eine geringere Wirkung zeigt Halbkreis (unteres RCT) in Abb. 6d. Das C76 zeigte ein höheres scheinbares Ipa/Ipc-Verhältnis als HWO-50 % C76 (Tabelle S3), was nicht auf die Verbesserung der Reaktionsreversibilität, sondern auf die Überlappung mit dem Chlorreduktionsreaktionspeak bei 1,2 V vs. SHE zurückzuführen ist. Die optimale Leistung von HWO-50 % C76 wird auf den synergistischen Effekt zwischen dem negativ geladenen, hochleitfähigen C76 und der hochbenetzbaren und W-OH-katalysierenden funktionellen Gruppe auf HWO zurückgeführt. Während eine geringere Chlorentwicklung die Ladeeffizienz der gesamten Zelle verbessern würde, würde die verbesserte Kinetik die Effizienz der gesamten Zellenspannung steigern.

Gemäß Gleichung S1 hängt der Spitzenstrom (IP) für quasi-reversible (relativ langsame Elektronenübertragung) diffusionskontrollierte Reaktionen von der Anzahl der Elektronen (n), der Elektrodenfläche (A), dem Diffusionskoeffizienten (D) ab. der Elektronentransferkoeffizient (α) und die Scanrate (ν). Um das diffusionskontrollierte Verhalten des getesteten Materials zu überprüfen, wurde die Beziehung zwischen IP und ν1/2 aufgezeichnet und in Abb. 6b dargestellt. Da alle Materialien einen linearen Zusammenhang aufwiesen, ist die Reaktion diffusionskontrolliert. Da die VO2+/VO2+-Reaktion quasi reversibel ist, hängt die Steigung der Linien sowohl vom Diffusionskoeffizienten als auch vom α-Wert ab (Gleichung S1). Da der Diffusionskoeffizient konstant ist (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52, ist der Unterschied in der Steigung der Linien ein direkter Hinweis auf unterschiedliche α-Werte und damit auf unterschiedliche Elektronentransferraten an der Elektrodenoberfläche bei C76 und HWO -50 % C76 zeigt den steilsten Anstieg (die höchste Elektronentransferrate).

Die berechneten Warburg (W)-Steigungen bei niedrigen Frequenzen (Abb. 6d), die in Tabelle S3 angegeben sind, weisen für alle Materialien Werte nahe eins auf, was auf die ideale Diffusion der Redoxspezies hinweist und das lineare Verhalten des IP bestätigt versus ν1/2 der CV-Messungen. Für HWO-50 % C76 weicht die Warburg-Steigung von eins auf 1,32 ab, was darauf hindeutet, dass nicht nur die semi-unendliche Diffusion der Reaktanten (VO2+) zum Diffusionsverhalten beiträgt, sondern möglicherweise auch ein dünnes Schichtverhalten Elektrodenporosität.

Um die Reversibilität (Elektronentransferrate) der VO2+/VO2+-Redoxreaktion weiter zu analysieren, wurde auch Nicholsons Methode für quasi-reversible Reaktionen verwendet, um die Standardgeschwindigkeitskonstante k041,42 zu bestimmen. Dies erfolgte durch Auftragen eines dimensionslosen kinetischen Parameters Ψ, der eine Funktion von ΔEp ist, gegen ν−1/2 unter Verwendung der Gleichungen S2. Tabelle S4 zeigt die für jedes Elektrodenmaterial erhaltenen Ψ-Werte. Die Ergebnisse wurden grafisch dargestellt (Abb. 6c), um k0 × 104 cm/s (neben jeder Linie geschrieben und in Tabelle S4 angegeben) aus der Steigung jedes Diagramms unter Verwendung von Gleichung S3 zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass HWO-50 % C76 die höchste Steigung aufweist (Abb. 6c), daher der höchste k0 von 2,47 × 10–4 cm/s. Dies impliziert, dass diese Elektrode die schnellste Kinetik erreicht, im Einklang mit den CV- und EIS-Ergebnissen in Abb. 6a und d sowie Tabelle S3. Außerdem wurden k0-Werte auch aus den Nyquist-Diagrammen (Abb. 6d) unter Verwendung von RCT-Werten (Tabelle S3) über Gleichung S4 erhalten. Diese Ergebnisse von k0 aus EIS sind in Tabelle S4 zusammengefasst und zeigen auch, dass HWO-50 % C76 aufgrund der synergistischen Effekte die höchste Elektronentransferrate aufwies. Obwohl die k0-Werte aufgrund der unterschiedlichen Ableitungen der einzelnen Methoden nicht gleich waren, zeigten sie dennoch die gleiche Größenordnung und zeigten Konsistenz.

Um ein vollständiges Bild der erreichten überlegenen Kinetik zu erhalten, war es wichtig, das beste Elektrodenmaterial mit blanken UCC- und TCC-Elektroden zu vergleichen. Für die VO2+/VO2+-Reaktion zeigte HWO-C76 nicht nur den niedrigsten ΔEp und die beste Reversibilität, sondern auch eine signifikante Hemmung der parasitären Chlorentwicklungsreaktion im Vergleich zu TCC, was durch den signifikanten Stromabfall bei 1,45 V vs. SIE (Abb. 7a). Bezüglich der Stabilität gingen wir davon aus, dass HWO-50 % C76 physikalisch stabil ist, da der Katalysator mit PVDF-Binder gemischt und dann auf die Kohlenstoffgewebeelektrode geladen wurde. HWO-50 % C76 zeigte nach 150 Zyklen eine Spitzenverschiebung von 44 mV (Abbaurate 0,29 mV/Zyklus), im Vergleich zu 50 mV für UCC (Abb. 7b). Das ist vielleicht kein großer Unterschied, aber die Kinetik der UCC-Elektrode war sehr träge und verschlechterte sich tendenziell mit zunehmendem Zyklus, insbesondere bei der Rückreaktion. Obwohl die Reversibilität von TCC viel besser war als die von UCC, wurde festgestellt, dass TCC nach 150 Zyklen eine große Peakverschiebung von 73 mV aufwies, was auf die große Menge an Chlor zurückzuführen ist, die sich auf seiner Oberfläche entwickelte. um sicherzustellen, dass der Katalysator gut an der Elektrodenoberfläche haftet. Wie bei allen getesteten Elektroden zu sehen war, zeigten auch diejenigen ohne geladenen Katalysator eine zyklische Instabilität in unterschiedlichem Ausmaß, was darauf hindeutet, dass die Änderung der Peaktrennung beim Zyklieren auf die Deaktivierung des Materials aufgrund chemischer Veränderungen und nicht auf den Katalysator zurückzuführen ist Ablösung. Darüber hinaus würde die Ablösung einer erheblichen Menge der Katalysatorpartikel von der Elektrodenoberfläche zu einem erheblichen Anstieg der Peaktrennung (nicht nur 44 mV) führen, da das Substrat (UCC) gegenüber der VO2+/VO2+-Redoxreaktion relativ inaktiv ist.

Ein Vergleich zwischen dem CV der besten Elektrodenmaterialien im Verhältnis zu UCC (a) und der Stabilität (b) für die VO2+/VO2+-Redoxreaktion. Alle CVs lagen bei ν = 5 mV/s in 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl-Elektrolyt.

Um die wirtschaftliche Attraktivität der VRFB-Technologie zu steigern, ist die Verbesserung und das Verständnis der Kinetik von Vanadium-Redoxreaktionen äußerst wichtig, um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen. HWO-C76-Verbundwerkstoffe wurden hergestellt und ihre elektrokatalytischen Wirkungen für die VO2+/VO2+-Reaktion untersucht. HWO zeigte eine leichte Verbesserung der Kinetik, aber eine deutliche Hemmung der Chlorentwicklung im gemischten Säureelektrolyten. Um die Kinetik von HWO-basierten Elektroden weiter zu optimieren, wurden unterschiedliche HWO:C76-Verhältnisse verwendet. Die Erhöhung des C76-Gehalts zu HWO verbesserte die Elektronentransferkinetik der VO2+/VO2+-Reaktion an der modifizierten Elektrode, wobei HWO-50 % C76 das optimale Material war, da es den Ladungstransferwiderstand verringerte und die Chlorentwicklung im Vergleich zu C76 und TCC weiter hemmte. Dies wurde auf die synergistischen Effekte zwischen der C=C-sp2-Hybridisierung, den funktionellen O-H- und W-OH-Gruppen zurückgeführt. Die Abbaurate bei wiederholten Zyklen für HWO-50 % C76 betrug 0,29 mV/Zyklus, verglichen mit 0,33 mV/Zyklus und 0,49 mV/Zyklus für UCC bzw. TCC, was ihm seine hohe Stabilität im gemischten Säureelektrolyten verleiht. Die präsentierten Ergebnisse identifizierten erfolgreich leistungsstarke Elektrodenmaterialien für die VO2+/VO2+-Reaktion mit schneller Kinetik und hoher Stabilität. Dies würde die Ausgangsspannung und damit die Energieeffizienz von VRFBs erhöhen und dadurch ihre Kosten für die zukünftige Kommerzialisierung senken.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Lüderer, G. et al. Bewertung von Wind- und Solarenergie in globalen Szenarien kohlenstoffarmer Energie: Eine Einführung. Energiewirtschaft. 64, 542–551. https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).

Artikel Google Scholar

Lee, HJ, Park, S. & Kim, H. Analyse der Auswirkung der MnO2-Ausfällung auf die Leistung einer Vanadium/Mangan-Redox-Flow-Batterie. J. Elektrochem. Soc. 165(5), A952–A956. https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC Ein dynamisches Elementarzellenmodell für die All-Vanadium-Flow-Batterie. J. Elektrochem. Soc. 158(6), A671. https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Mongird, K. et al. Kosten- und Leistungsbewertung der Grid-Energiespeichertechnologie 2020 (2020).

Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA & Mench, MM In-situ-Potenzialverteilungsmessung und validiertes Modell für eine All-Vanadium-Redox-Flow-Batterie. J. Elektrochem. Soc. 163(1), A5188–A5201. https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Tsushima, S. & Suzuki, T. Modellierung und Simulation einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie mit interdigitiertem Strömungsfeld zur Optimierung der Elektrodenarchitektur. J. Elektrochem. Soc. 167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sun, B. & Skyllas-Kazacos, M. Modifikation von Graphitelektrodenmaterialien für Vanadium-Redox-Flow-Batterieanwendungen – I. Thermale Behandlung. Elektrochim. Acta 37(7), 1253–1260. https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, T., Li, X., Zhang, H. & Chen, J. Fortschritte bei den Elektrodenmaterialien hin zu Vanadium-Flow-Batterien (VFBs) mit verbesserter Leistungsdichte. J. Energy Chem. 27(5), 1292–1303. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).

Artikel Google Scholar

Liu, QH et al. Hochleistungs-Vanadium-Redox-Flow-Batterien mit optimierter Elektrodenkonfiguration und Membranauswahl. J. Elektrochem. Soc. 159(8), A1246–A1252. https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Wei, G., Jia, C., Liu, J. & Yan, C. Kohlenstofffilz-gestützte Kohlenstoffnanoröhren-Katalysator-Verbundelektrode für Vanadium-Redox-Flow-Batterieanwendungen. J. Stromquelle 220, 185–192. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. Einfluss von Wismutsulfat, das auf angesäuertem CNT aufgetragen wurde, auf die Leistung von Vanadium-Redox-Flow-Batterien. J. Elektrochem. Soc. 166(12), A2602. https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Huang, R.-H. et al. Untersuchung von mit Platin/mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren modifizierten aktiven Elektroden für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. J. Elektrochem. Soc. 159(10), A1579. https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Noh, C. et al. Vanadium-Redox-Flow-Batterie mit Elektrokatalysator, dekoriert mit stickstoffdotierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus metallorganischen Gerüsten. J. Elektrochem. Soc. 165(7), A1388. https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Han, P. et al. Graphenoxid-Nanoplättchen als hervorragende elektrochemische Aktivmaterialien für VO2+/- und V2+/V3+-Redoxpaare für eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Kohlenstoff 49(2), 693–700. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

González, Z. et al. Hervorragende elektrochemische Leistung eines graphenmodifizierten Graphitfilzes für die Anwendung in Vanadium-Redox-Flow-Batterien. J. Stromquelle 338, 155–162. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

González, Z., Vizireanu, S., Dinescu, G., Blanco, C. & Santamaría, R. Kohlenstoff-Nanowände-Dünnfilme als nanostrukturierte Elektrodenmaterialien in Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Nanoenergie 1(6), 833–839. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. & Jung, H. Dreidimensionaler mesoporöser graphenmodifizierter Kohlenstofffilz für Hochleistungs-Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Elektrochim. Acta 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

He, Z. et al. Kohlenstoffnanofasern, die durch chemische Gasphasenabscheidung auf der Oberfläche von Graphitfilz für Vanadium-Redox-Flow-Batterien gewachsen sind. RSC Adv. 3(43), 19774. https://doi.org/10.1039/c3ra22631j (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sodiq, A. et al. Schwarzer Perlkohlenstoff als Katalysator für Voll-Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Chem. Komm. 55(69), 10249–10252. https://doi.org/10.1039/C9CC03640G (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Jeong, S., An, S., Jeong, J., Lee, J. & Kwon, Y. Einfluss von mesozellularem Kohlenstoffschaum-Elektrodenmaterial auf die Leistung von Vanadium-Redox-Flow-Batterien. J. Stromquelle 278, 245–254. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.12.074 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Gao, Y. et al. Mit Kohlenstofffolie dekorierte Graphitfilzelektrode mit hoher katalytischer Aktivität für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Kohlenstoff 148, 9–15. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.03.035 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Park, M., Ryu, J., Kim, Y. & Cho, J. Aus Maisprotein gewonnene stickstoffdotierte Kohlenstoffmaterialien mit sauerstoffreichen funktionellen Gruppen: Ein hocheffizienter Elektrokatalysator für Vollvanadium-Redox-Flow-Batterien. Energieumwelt. Wissenschaft. 7(11), 3727–3735. https://doi.org/10.1039/C4EE02123A (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, R. & Li, Y. Von einem Doppelkokon abgeleitetes, eigenständiges stickstoff-sauerstoffreiches monolithisches Kohlenstoffmaterial als kostengünstige Elektrode für Redox-Flow-Batterien. J. Stromquelle 421, 139–146. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.03.023 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Diwany, FAE, Ali, BA, Sawy, ENE & Allam, NK Fullerene C76 als neuartiger Elektrokatalysator für VO2+/VO2+ und Chlorentwicklungsinhibitor in All-Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Chem. Komm. 56(55), 7569–7572. https://doi.org/10.1039/D0CC03544K (2020).

Artikel Google Scholar

Zhou, H. et al. Mit CeO2 dekorierter Graphitfilz als Hochleistungselektrode für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. RSC Adv. 4(106), 61912–61918. https://doi.org/10.1039/C4RA12339E (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhou, H., Shen, Y., Xi, J., Qiu, X. & Chen, L. ZrO2-Nanopartikel-modifizierter Graphitfilz: Bifunktionale Effekte auf Vanadium-Flow-Batterien. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 8(24), 15369–15378. https://doi.org/10.1021/acsami.6b03761 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Cao, L., Skyllas-Kazacos, M. & Wang, D.-W. Modifikation auf Basis von MoO3 als Elektrokatalysatoren für Vanadium-Redox-Flow-Batterien mit hoher Leistungsdichte. ChemElectroChem 4(8), 1836–1839. https://doi.org/10.1002/celc.201700376 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Yun, N., Park, JJ, Park, OO, Lee, KB & Yang, JH Elektrokatalytische Wirkung von NiO-Nanopartikeln, die gleichmäßig auf einer Graphitfilzelektrode für Vanadium-Redox-Flow-Batterien verteilt sind. Elektrochim. Acta 278, 226–235. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.05.039 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Mehboob, S. et al. Verbesserung der Leistung von All-Vanadium-Redox-Flow-Batterien durch Verzierung von Kohlenstofffilzelektroden mit SnO2-Nanopartikeln. Appl. Energie 229, 910–921. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.08.047 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Xiang, Y. & Daoud, WA Cr2O3-modifizierter Graphitfilz als neuartige positive Elektrode für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Elektrochim. Acta 290, 176–184. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.09.023 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Yao, C., Zhang, H., Liu, T., Li, J. Stromquelle 218, 455–461. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.06.072 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shen, Y. et al. Elektrochemische katalytische Aktivität von Wolframtrioxid-modifiziertem Graphit gegenüber der VO2+/VO2+-Redoxreaktion. Elektrochim. Acta 132, 37–41. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.03.107 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kabtamu, DM, Chen, J.-Y., Chang, Y.-C. & Wang, C.-H. Elektrokatalytische Aktivität von Nb-dotiertem hexagonalem WO3-Nanodraht-modifiziertem Graphitfilz als positive Elektrode für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. J. Mater. Chem. A 4(29), 11472–11480. https://doi.org/10.1039/C6TA03936G (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Hosseini, MG et al. Leistungsstarke positive Elektrode basierend auf der synergistischen Wirkung von N- und WO3-dekoriertem Kohlenstofffilz für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Kohlenstoff 136, 444–453. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.04.038 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, W. et al. Mesoporöses Wolframoxynitrid als Elektrokatalysator zur Förderung von Redoxreaktionen des Vanadium-Redoxpaares und der Leistung einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie. Appl. Surfen. Wissenschaft. 429, 187–195. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.07.022 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Faraji, M., Khalilzadeh Soltanahmadi, R., Seyfi, S., Mostafavi Bavani, B. & Mohammadzadeh Aydisheh, H. Hochporöse WO3/CNTs-Graphitfolie als neuartige und kostengünstige positive Elektrode für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. J. Festkörperelektrochem. 24(10), 2315–2324. https://doi.org/10.1007/s10008-020-04671-6 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Kabtamu, DM et al. Dreidimensional getemperter WO3-Nanodraht/Graphenschaum als elektrokatalytisches Material für alle Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Aufrechterhalten. Energiekraftstoffe 1(10), 2091–2100. https://doi.org/10.1039/C7SE00271H (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Bayeh, AW et al. Mit Wasserstoff behandelter defektreicher W18O49-Nanodraht-modifizierter Graphitfilz als Hochleistungselektrode für Vanadium-Redox-Flow-Batterien. ACS-Appl. Energie Mater. 2(4), 2541–2551. https://doi.org/10.1021/acsaem.8b02158 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Farsi, H., Gobal, F. & Barzgari, Z. Eine Studie über hydratisiertes nanostrukturiertes Wolframtrioxid als elektroaktives Material für Pseudokondensatoren. Ionics 19(2), 287–294. https://doi.org/10.1007/s11581-012-0726-8 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Mitchell, JB, Lo, WC, Genc, ​​A., LeBeau, J. & Augustyn, V. Übergang vom Batterie- zum Pseudokondensatorverhalten über Strukturwasser in Wolframoxid. Chem. Mater. 29(9), 3928–3937. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b05485 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Iwakiri, I. et al. Redox-Flow-Batterien: Materialien, Design und Perspektiven. Energies 14(18), 5643. https://doi.org/10.3390/en14185643 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, L. et al. Eine stabile Vanadium-Redox-Flow-Batterie mit hoher Energiedichte für die Energiespeicherung im großen Maßstab. Adv. Energie Mater. 1(3), 394–400. https://doi.org/10.1002/aenm.201100008 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Songara, S. et al. Abstimmung der Kristallphasenstruktur in hydratisierten WO3-Nanopartikeln unter nasschemischen Bedingungen und Untersuchungen ihrer photochromen Eigenschaften. J. Phys. Chem. Feststoffe 73(7), 851–857. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2012.02.020 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Klinger, M. & Jäger, A. Kristallographischer Werkzeugkasten (CrysTBox): Automatisierte Werkzeuge für Transmissionselektronenmikroskopiker und Kristallographen. J. Appl. Kristalllogr. 48(6), 2012–2018. https://doi.org/10.1107/S1600576715017252 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Degen, T., Sadki, M., Bron, E., König, U. & Nénert, G. Die Highscore-Suite. Pulverdiffr. 29(S2), S13–S18. https://doi.org/10.1017/S0885715614000840 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Nicholson, RS Theorie und Anwendung der Cyclovoltammetrie zur Messung der Elektrodenreaktionskinetik. Anal. Chem. 37(11), 1351–1355. https://doi.org/10.1021/ac60230a016 (1965).

Artikel CAS Google Scholar

Lavagnini, I., Antiochia, R. & Magno, F. Eine erweiterte Methode zur praktischen Bewertung der Standardgeschwindigkeitskonstante aus zyklisch voltammetrischen Daten. Elektroanalyse 16(6), 505–506. https://doi.org/10.1002/elan.200302851 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Ling, M. & Blackman, CS Gasphasensynthese hybrider nanostrukturierter Materialien. Nanoskalig 10(48), 22981–22989. https://doi.org/10.1039/C8NR06257A (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ling, M. Wolframoxid und auf Wolframoxid basierende heterogene Nanostruktur-Dünnfilme: Synthese mittels AACVD, Charakterisierung, Wachstumsmechanismus und Anwendung in der Photokatalyse 183 (2020).

Kawada, H. et al. Strukturelle Aspekte von C82- und C76-Kristallen, untersucht durch Röntgenbeugung. Physik. Rev. B 51(14), 8723–8730. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.8723 (1995).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hassaneen, FY et al. Innovative Nanokompositformulierungen zur Verbesserung der Biogas- und Biodüngerproduktion aus der anaeroben Vergärung organischer Abfälle. Bioresour. Technol. 309, 123350. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123350 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jiang, Z., Klyukin, K. & Alexandrov, V. Struktur, Hydrolyse und Diffusion wässriger Vanadiumionen aus der Car-Parrinello-Molekulardynamik. J. Chem. Physik. 145(11), 114303. https://doi.org/10.1063/1.4962748 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

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Die Autoren danken Mohamed Salama für die SEM-Bildgebung und Nashaat Ahmed und Dr. Ayat El Shazly für die XRD-, FTIR- und XPS-Messungen. Die Autoren danken der American University in Kairo für die Unterstützung dieser Arbeit.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Diese Arbeit wurde von der American University in Kairo, SSE-CHEM-EE-FY19-FY20-FY21-RG(1-19)-2018-Oct-01-20-37-05, unterstützt.

Fakultät für Chemie, School of Sciences and Engineering, The American University in Cairo, New Cairo, 11835, Ägypten

Farah A. El Diwany, Taher Al Najjar und Ehab N. El Sawy

Energy Materials Laboratory, School of Sciences and Engineering, The American University in Cairo, New Cairo, 11835, Ägypten

Farah A. El Diwany & Nageh K. Allam

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FAE führte den Großteil der experimentellen Arbeit durch, analysierte die Ergebnisse und verfasste den ersten Entwurf des Papiers. TA half bei der experimentellen Arbeit und überarbeitete den ersten Entwurf. EE und NA lieferten den konzeptionellen Plan, überwachten die Arbeit, stellten die Finanzierung sicher und überarbeiteten das Manuskript.

Korrespondenz mit Nageh K. Allam oder Ehab N. El Sawy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

El Diwany, FA, Al Najjar, T., Allam, NK et al. Nanokomposite auf Wolframoxid/Fulleren-Basis als Elektrokatalysatoren und Inhibitoren parasitärer Reaktionen für VO2+/VO2+ in Mischsäuren. Sci Rep 12, 14348 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18561-6

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Eingegangen: 13. Juni 2022

Angenommen: 16. August 2022

Veröffentlicht: 23. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18561-6

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Journal of Materials Science: Materialien in der Elektronik (2023)

Zeitschrift für Materialwissenschaft (2022)

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