304 capillary tube Nanocomposites Batay sa Tungsten Oxide/Fullerene bilang Electrocatalysts at Inhibitors ng Parasitic VO2+/VO2+ Reactions sa Mixed Acids

Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta sa CSS.Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Bilang karagdagan, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site na walang mga istilo at JavaScript.
Nagpapakita ng carousel ng tatlong slide nang sabay-sabay.Gamitin ang Nakaraang at Susunod na mga pindutan upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon, o gamitin ang mga pindutan ng slider sa dulo upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon.

Hindi kinakalawang na asero 304 Coil Tube Chemical Komposisyon

Ang 304 Stainless Steel Coil Tube ay isang uri ng austenitic chromium-nickel alloy.Ayon sa Stainless Steel 304 Coil Tube Manufacturer, ang pangunahing bahagi nito ay Cr (17%-19%), at Ni (8%-10.5%).Upang mapabuti ang paglaban nito sa kaagnasan, mayroong maliit na halaga ng Mn (2%) at Si (0.75%).

Hindi kinakalawang na Asero 304 Coil Tube Mechanical Properties

Ang mga mekanikal na katangian ng 304 stainless steel coil tube ay ang mga sumusunod:

• Lakas ng makunat: ≥515MPa
• Lakas ng ani: ≥205MPa
• Pagpahaba: ≥30%

Mga Application at Paggamit ng Stainless Steel 304 Coil Tube

Ang medyo mataas na halaga ng vanadium redox flow batteries (VRFBs) ay naglilimita sa kanilang malawakang paggamit.Ang kinetics ng electrochemical reactions ay dapat pagbutihin upang mapataas ang power density at energy efficiency ng VRFB, at sa gayon ay binabawasan ang kWh cost ng VRFB.Sa gawaing ito, ang hydrothermally synthesized hydrated tungsten oxide (HWO) nanoparticle, C76 at C76/HWO, ay idineposito sa carbon cloth electrodes at sinubukan bilang electrocatalysts para sa VO2+/VO2+ redox reaction.Field emission scanning electron microscopy (FESEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), infrared Fourier transform Spectroscopy ( FTIR) at mga sukat ng contact angle.Napag-alaman na ang pagdaragdag ng C76 fullerene sa HWO ay maaaring mapahusay ang kinetics ng electrode na may paggalang sa VO2+/VO2+ redox reaction sa pamamagitan ng pagtaas ng conductivity at pagbibigay ng oxygen-containing functional group sa ibabaw nito.Ang HWO/C76 composite (50 wt% C76) ay napatunayang pinakaangkop para sa reaksyon ng VO2+/VO2+ na may ΔEp na 176 mV kumpara sa 365 mV para sa hindi ginagamot na tela ng carbon (UCC).Bilang karagdagan, ang HWO / C76 composite ay nagpakita ng makabuluhang pagsugpo sa reaksyon ng parasitic chlorine evolution dahil sa mga functional na grupo ng W-OH.
Ang matinding aktibidad ng tao at ang mabilis na rebolusyong pang-industriya ay humantong sa hindi mapigilang mataas na pangangailangan para sa kuryente, na lumalaki nang humigit-kumulang 3% bawat taon1.Sa loob ng mga dekada, ang malawakang paggamit ng fossil fuels bilang pinagmumulan ng enerhiya ay humantong sa mga greenhouse gas emissions, na humahantong sa global warming, polusyon sa tubig at hangin, na nagbabanta sa buong ekosistema.Bilang resulta, sa 2050 ang bahagi ng malinis na renewable energy at solar energy ay inaasahang aabot sa 75% ng kabuuang kuryente1.Gayunpaman, kapag ang produksyon ng nababagong enerhiya ay lumampas sa 20% ng kabuuang produksyon ng kuryente, ang grid ay nagiging hindi matatag.
Sa lahat ng sistema ng pag-iimbak ng enerhiya gaya ng mga hybrid na vanadium redox flow na baterya2, ang lahat ng vanadium redox flow batteries (VRFBs) ay ang pinaka-advanced dahil sa kanilang maraming pakinabang3 at itinuturing na pinakamahusay na solusyon para sa pangmatagalang pag-iimbak ng enerhiya (~30 taon).Paggamit ng renewable energy sources4.Ito ay dahil sa paghihiwalay ng power at energy density, mabilis na pagtugon, mahabang buhay at medyo mababa ang taunang gastos na $65/kWh kumpara sa $93-140/kWh para sa Li-ion at lead-acid na mga baterya at 279-420 USD/kWh./kWh na mga baterya ayon sa pagkakabanggit 4.
Gayunpaman, ang kanilang malawakang komersyalisasyon ay patuloy na hinahadlangan ng relatibong mataas na gastos sa sistema ng kapital, pangunahin dahil sa mga pack ng baterya4,5.Kaya, ang pagpapabuti ng pagganap ng baterya sa pamamagitan ng pagtaas ng kinetics ng dalawang kalahating cell na reaksyon ay maaaring mabawasan ang laki ng baterya at sa gayon ay mabawasan ang gastos.Samakatuwid, ang mabilis na paglipat ng elektron sa ibabaw ng elektrod ay kinakailangan, depende sa disenyo, komposisyon at istraktura ng elektrod, na dapat na maingat na ma-optimize.Bagaman ang mga electrodes na nakabatay sa carbon ay may mahusay na katatagan ng kemikal at electrochemical at mahusay na kondaktibiti ng kuryente, kung hindi ginagamot, ang kanilang mga kinetics ay magiging mabagal dahil sa kawalan ng mga oxygen functional group at hydrophilicity7,8.Samakatuwid, ang iba't ibang mga electrocatalyst ay pinagsama sa mga carbon electrodes, lalo na ang mga carbon nanostructure at metal oxide, upang mapabuti ang kinetics ng parehong mga electrodes, at sa gayon ay pinapataas ang kinetics ng VRFB electrodes.
Maraming carbon material ang ginamit, tulad ng carbon paper9, carbon nanotubes10,11,12,13, graphene-based nanostructures14,15,16,17, carbon nanofibers18 at iba pa19,20,21,22,23, maliban sa fullerene family .Sa aming nakaraang pag-aaral sa C76, iniulat namin sa unang pagkakataon ang mahusay na electrocatalytic na aktibidad ng fullerene na ito patungo sa VO2+/VO2+, kumpara sa heat-treated at untreated na carbon cloth, ang charge transfer resistance ay nabawasan ng 99.5% at 97%24.Ang catalytic performance ng mga carbon material para sa VO2+/VO2+ reaction kumpara sa C76 ay ipinapakita sa Table S1.Sa kabilang banda, maraming mga metal oxide tulad ng CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 at WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 ang ginagamit dahil sa kanilang tumaas na pagkabasa at mataas na nilalaman ng oxygen.mga pangkat.Ipinapakita ng talahanayan S2 ang catalytic performance ng mga metal oxide na ito sa reaksyon ng VO2+/VO2+.Ang WO3 ay ginamit sa isang makabuluhang bilang ng mga gawa dahil sa mababang gastos nito, mataas na katatagan sa acidic media, at mataas na catalytic activity31,32,33,34,35,36,37,38.Gayunpaman, ang WO3 ay nagpakita ng kaunting pagpapabuti sa cathode kinetics.Upang mapabuti ang kondaktibiti ng WO3, ang epekto ng paggamit ng pinababang tungsten oxide (W18O49) sa positibong aktibidad ng elektrod ay nasubok38.Ang hydrated tungsten oxide (HWO) ay hindi pa nasubok sa mga aplikasyon ng VRFB, bagama't nagpakita ito ng mas mataas na aktibidad sa mga aplikasyon ng supercapacitor dahil sa mas mabilis na pagsasabog ng cation kumpara sa walang tubig na WOx39,40.Ang ikatlong henerasyong all-vanadium redox flow na baterya ay gumagamit ng mixed acid electrolyte na binubuo ng HCl at H2SO4 upang mapabuti ang pagganap ng baterya at mapabuti ang solubility at stability ng vanadium ions sa electrolyte.Gayunpaman, ang reaksyon ng parasitic chlorine evolution ay naging isa sa mga disadvantages ng ikatlong henerasyon, kaya ang paghahanap ng mga paraan upang sugpuin ang reaksyon ng chlorine evaluation ay naging gawain ng ilang grupo ng pananaliksik.
Dito, isinagawa ang mga pagsusuri sa reaksyon ng VO2+/VO2+ sa HWO/C76 na mga composite na idineposito sa mga electrodes ng carbon cloth upang makahanap ng balanse sa pagitan ng electrical conductivity ng mga composite at ng redox reaction kinetics sa ibabaw ng electrode habang pinipigilan ang parasitic chlorine deposition.reaksyon (KVR).Ang hydrated tungsten oxide (HWO) nanoparticle ay na-synthesize sa pamamagitan ng isang simpleng hydrothermal method.Ang mga eksperimento ay isinagawa sa isang halo-halong acid electrolyte (H2SO4/HCl) upang gayahin ang ikatlong henerasyong VRFB (G3) para sa kaginhawahan at upang siyasatin ang epekto ng HWO sa parasitic chlorine evolution reaction42.
Vanadium(IV) sulfate oxide hydrate (VOSO4, 99.9%, Alfa-Aeser), sulfuric acid (H2SO4), hydrochloric acid (HCl), dimethylformamide (DMF, Sigma-Aldrich), polyvinylidene fluoride (PVDF, Sigma-Aldrich), sodium Ang Tungsten oxide dihydrate (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) at hydrophilic carbon cloth na ELAT (Fuel Cell Store) ay ginamit sa pag-aaral na ito.
Ang hydrated tungsten oxide (HWO) ay inihanda ng isang hydrothermal reaction kung saan ang 2 g ng Na2WO4 salt ay natunaw sa 12 ml ng H O hanggang sa makuha ang isang walang kulay na solusyon, at pagkatapos ay ang 12 ml ng 2 M HCl ay idinagdag nang patak hanggang sa isang mapusyaw na dilaw na suspensyon. ay nakuha.pagsususpinde.Ang hydrothermal reaction ay isinagawa sa isang Teflon coated stainless steel autoclave sa isang oven sa 180 ºC sa loob ng 3 oras.Ang nalalabi ay nakolekta sa pamamagitan ng pagsasala, hugasan ng 3 beses na may ethanol at tubig, pinatuyo sa isang oven sa 70 ° C para sa ~ 3 h, at pagkatapos ay giling upang makakuha ng asul na kulay-abo na pulbos na HWO.
Ang nakuha (hindi ginagamot) na carbon cloth electrodes (CCTs) ay ginamit sa anyo kung saan sila ay nakuha o sumailalim sa heat treatment sa isang tube furnace sa 450°C sa loob ng 10 h sa isang heating rate na 15°C/min sa hangin hanggang kumuha ng ginagamot na UCC (TCC), s Kapareho ng nakaraang gawain 24. Ang UCC at TCC ay pinutol sa mga electrodes na humigit-kumulang 1.5 cm ang lapad at 7 cm ang haba.Ang mga suspensyon ng C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 at HWO-50% C76 ay inihanda sa pamamagitan ng pagdaragdag ng 20 mg ng aktibong materyal na pulbos at 10 wt% (~2.22 mg) ng PVDF binder sa ~1 ml ng Ang DMF ay inihanda sa at sonicated para sa 1 oras upang mapabuti ang pagkakapareho.Pagkatapos 2 mg ng C76, HWO at HWO-C76 composites ay inilapat sa humigit-kumulang 1.5 cm2 ng UCC aktibong electrode area.Ang lahat ng mga catalyst ay na-load sa UCC electrodes at ang TCC ay ginamit para sa mga layunin ng paghahambing lamang, dahil ang aming nakaraang trabaho ay nagpakita na ang heat treatment ay hindi kinakailangan 24 .Nakamit ang pag-aayos ng impression sa pamamagitan ng pagsipilyo ng 100 µl ng suspensyon (load 2 mg) para sa higit na pagkakapareho.Pagkatapos ang lahat ng mga electrodes ay tuyo sa isang oven magdamag sa 60 ° C.Ang mga electrodes ay sinusukat bago at pagkatapos upang matiyak ang tumpak na pag-load ng stock.Upang magkaroon ng isang tiyak na geometric na lugar (~ 1.5 cm2) at maiwasan ang pagtaas ng vanadium electrolyte sa mga electrodes dahil sa epekto ng capillary, isang manipis na layer ng paraffin ang inilapat sa ibabaw ng aktibong materyal.
Ang isang field emission scanning electron microscope (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60.5 kV) ay ginamit upang obserbahan ang HWO surface morphology.Ang energy dispersive X-ray spectroscopy na nilagyan ng Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) ay ginamit upang i-map ang mga elemento ng HWO-50%C76 sa mga UCC electrodes.Ang isang high resolution transmission electron microscope (HR-TEM, JOEL JEM-2100) na tumatakbo sa isang accelerating boltahe ng 200 kV ay ginamit upang makakuha ng mataas na resolution ng mga imahe at diffraction ring ng HWO particle.Gamitin ang Crystallographic Tool Box (CrysTBox) software upang suriin ang HWO diffraction rings gamit ang ringGUI function at ihambing ang mga resulta sa mga modelong XRD.Ang istraktura at graphitization ng UCC at TCC ay tinutukoy ng X-ray diffraction (XRD) sa isang scan rate na 2.4 ° / min mula 5 ° hanggang 70 ° kasama ang Cu Kα (λ = 1.54060 Å) gamit ang isang Panalytical X-ray diffractometer.(Modelo 3600).Ipinapakita ng XRD ang istraktura ng kristal at mga yugto ng HWO.Ang PANalytical X'Pert HighScore software ay ginamit upang itugma ang mga HWO peak sa mga mapa ng tungsten oxide na magagamit sa database45.Ihambing ang mga resulta ng HWO sa mga resulta ng TEM.Ang komposisyon ng kemikal at estado ng mga sample ng HWO ay tinutukoy ng X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).Ang CASA-XPS software (v 2.3.15) ay ginamit para sa peak deconvolution at pagsusuri ng data.Ang Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR, gamit ang isang Perkin Elmer class KBr FTIR spectrometer) ay isinagawa upang matukoy ang mga surface functional na grupo ng HWO at HWO-50%C76.Ihambing ang mga resulta sa mga resulta ng XPS.Ang mga sukat ng anggulo ng contact (KRUSS DSA25) ay ginamit din upang makilala ang pagkabasa ng mga electrodes.
Para sa lahat ng mga pagsukat ng electrochemical, ginamit ang isang Biologic SP 300 workstation.Ang cyclic voltammetry (CV) at electrochemical impedance spectroscopy (EIS) ay ginamit upang pag-aralan ang electrode kinetics ng VO2+/VO2+ redox reaction at ang epekto ng reagent diffusion (VOSO4 (VO2+)) sa reaction rate.Ang parehong mga teknolohiya ay gumagamit ng isang three-electrode cell na may electrolyte concentration na 0.1 M VOSO4 (V4+) na natunaw sa 1 M H2SO4 + 1 M HCl (mixed acid).Lahat ng electrochemical data na ipinakita ay IR corrected.Ang isang saturated calomel electrode (SCE) at isang platinum (Pt) coil ay ginamit bilang reference at counter electrode, ayon sa pagkakabanggit.Para sa CV, ang mga rate ng pag-scan (ν) na 5, 20, at 50 mV/s ay inilapat sa isang potensyal na window (0–1) V kumpara sa SCE para sa VO2+/VO2+, pagkatapos ay naitama sa sukat ng SHE upang mag-plot (VSCE = 0.242 V na may kaugnayan sa HSE) .Upang siyasatin ang pagpapanatili ng aktibidad ng elektrod, isang CV recycle ang isinagawa sa UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO at UCC-HWO-50% C76 sa ν katumbas ng 5 mV/s.Para sa mga sukat ng EIS para sa VO2+/VO2+ redox reaction, ginamit ang isang frequency range na 0.01-105 Hz at isang open circuit voltage (OCV) disturbance na 10 mV.Ang bawat eksperimento ay inulit ng 2-3 beses upang matiyak ang pagkakapare-pareho ng mga resulta.Ang heterogenous rate constants (k0) ay nakuha ng Nicholson method46,47.
Ang hydrated tungsten oxide (HVO) ay matagumpay na na-synthesize ng hydrothermal method.SEM imahe sa fig.Ipinapakita ng 1a na ang idineposito na HWO ay binubuo ng mga kumpol ng nanoparticle na may mga laki ng butil sa saklaw na 25-50 nm.
Ang X-ray diffraction pattern ng HWO ay nagpapakita ng mga taluktok (001) at (002) sa ~23.5° at ~47.5°, ayon sa pagkakabanggit, na katangian ng nonstoichiometric WO2.63 (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21.4 Å, b = 17.8 Å, c = 3.8 Å, α = β = γ = 90°), na tumutugma sa maliwanag na asul na kulay nito (Larawan 1b)48,49.Ang iba pang mga taluktok sa humigit-kumulang 20.5°, 27.1°, 28.1°, 30.8°, 35.7°, 36.7° at 52.7° ay nasa (140), (620), (350 ), (720), (740), (560).at (970) diffraction planes, ayon sa pagkakabanggit, 49 orthorhombic WO2.63.Songara et al.43 ay gumamit ng parehong sintetikong pamamaraan upang makakuha ng puting produkto, na iniuugnay sa pagkakaroon ng WO3(H2O)0.333.Gayunpaman, sa gawaing ito, dahil sa iba't ibang mga kondisyon, nakuha ang isang asul na kulay-abo na produkto, na nagpapahiwatig ng magkakasamang buhay ng WO3(H2O)0.333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7.7 ) sa Å , α = β = γ = 90°) at ang pinababang anyo ng tungsten oxide.Ang semiquantitative analysis na may X'Pert HighScore software ay nagpakita ng 26% WO3(H2O)0.333: 74% W32O84.Dahil ang W32O84 ay binubuo ng W6+ at W4+ (1.67:1 W6+:W4+), ang tinantyang nilalaman ng W6+ at W4+ ay humigit-kumulang 72% W6+ at 28% W4+, ayon sa pagkakabanggit.Ang mga imahe ng SEM, 1-segundong XPS spectra sa antas ng nucleus, mga imahe ng TEM, FTIR spectra at Raman spectra ng C76 na mga particle ay ipinakita sa aming nakaraang papel24.Ayon sa Kawada et al.50,51, ang X-ray diffraction pattern ng C76 ay nagpapakita ng monoclinic na istraktura ng FCC pagkatapos alisin ang toluene.
Mga imahe ng SEM sa fig.Ang 2a at b ay nagpapakita ng matagumpay na pag-deposito ng HWO at HWO-50% C76 sa at sa pagitan ng mga carbon fiber ng UCC electrodes.Ang elementong pagmamapa ng tungsten, carbon at oxygen sa imahe ng SEM sa Fig. 2c ay ipinapakita sa fig.2d–f na nagpapakita na ang tungsten at carbon ay pantay na pinaghalo (nagpapakita ng katulad na pamamahagi) sa ibabaw ng electrode at ang composite ay hindi nadeposito nang pantay.dahil sa katangian ng paraan ng pag-ulan.
Mga imahe ng SEM ng mga nadeposito na particle ng HWO (a) at mga particle ng HWO-C76 (b).Ang EDX mapping na na-upload sa HWO-C76 sa UCC gamit ang lugar sa larawan (c) ay nagpapakita ng distribusyon ng tungsten (d), carbon (e), at oxygen (f) sa sample.
Ginamit ang HR-TEM para sa mataas na magnification imaging at crystallographic na impormasyon (Larawan 3).Ang HWO ay nagpapakita ng nanocube morphology tulad ng ipinapakita sa Figure 3a at mas malinaw sa Figure 3b.Sa pamamagitan ng pag-magnify sa nanocube para sa diffraction ng isang napiling lugar, ang grating structure at diffraction planes na nakakatugon sa batas ni Bragg ay maaaring makita tulad ng ipinapakita sa Figure 3c, na nagpapatunay sa crystallinity ng materyal.Sa inset sa Fig. 3c ay nagpapakita ng distansya d 3.3 Å na naaayon sa (022) at (620) diffraction plane sa WO3(H2O)0.333 at W32O84, 43, 44, 49 phase, ayon sa pagkakabanggit.Ito ay naaayon sa pagsusuri sa XRD sa itaas (Larawan 1b) dahil ang naobserbahang distansya ng eroplanong grating d (Larawan 3c) ay tumutugma sa pinakamalakas na XRD peak sa sample ng HWO.Ang mga sample na singsing ay ipinapakita din sa fig.3d, kung saan ang bawat singsing ay tumutugma sa isang hiwalay na eroplano.Ang WO3(H2O)0.333 at W32O84 na mga eroplano ay may kulay na puti at asul, ayon sa pagkakabanggit, at ang kanilang kaukulang XRD peak ay ipinapakita din sa Fig. 1b.Ang unang singsing na ipinapakita sa pattern ng singsing ay tumutugma sa unang minarkahang peak sa pattern ng x-ray ng (022) o (620) diffraction plane.Mula sa (022) hanggang (402) na mga singsing, natagpuan ang d-distansya na 3.30, 3.17, 2.38, 1.93, at 1.69 Å, na pare-pareho sa mga halaga ng XRD na 3.30, 3.17, 2 .45, 1.93 at 1.66.Å, 44, 45, ayon sa pagkakabanggit.
(a) HR-TEM na imahe ng HWO, (b) ay nagpapakita ng pinalaki na imahe.Ang mga larawan ng mga grating na eroplano ay ipinapakita sa (c), at ang inset (c) ay nagpapakita ng isang pinalaki na imahe ng mga eroplano at ang pagitan d 0.33 nm na tumutugma sa (002) at (620) na mga eroplano.(d) HWO ring pattern na nagpapakita ng mga eroplanong nauugnay sa WO3(H2O)0.333 (puti) at W32O84 (asul) na mga yugto.
Ang pagsusuri sa XPS ay isinagawa upang matukoy ang kimika sa ibabaw at estado ng oksihenasyon ng tungsten (Mga Figure S1 at 4).Ang spectrum ng malawak na saklaw ng XPS scan ng synthesized HWO ay ipinapakita sa Fig.S1, na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng tungsten.Ang XPS narrow-scan spectra ng pangunahing antas ng W 4f at O ​​1s ay ipinapakita sa Fig.4a at b, ayon sa pagkakabanggit.Ang W 4f spectrum ay nahahati sa dalawang spin-orbit doublets na tumutugma sa nagbubuklod na enerhiya ng estado ng oksihenasyon na W. Ang mga taluktok na W 4f5/2 at W 4f7/2 sa mga nagbubuklod na energies na 37.8 at 35.6 eV ay nabibilang sa W6+, at ang mga taluktok na W Ang 4f5/2 at W 4f7/2 sa 36.6 at 34.9 eV ay katangian ng estado ng W4+, ayon sa pagkakabanggit.Ang pagkakaroon ng estado ng oksihenasyon (W4+) ay higit na nagpapatunay sa pagbuo ng non-stoichiometric WO2.63, habang ang presensya ng W6+ ay nagpapahiwatig ng stoichiometric WO3 dahil sa WO3(H2O)0.333.Ipinakita ng fitted data na ang mga atomic na porsyento ng W6+ at W4+ ay 85% at 15%, ayon sa pagkakabanggit, na medyo malapit sa mga halaga na tinantiya mula sa data ng XRD, dahil sa pagkakaiba sa pagitan ng dalawang teknolohiya.Ang parehong mga pamamaraan ay nagbibigay ng dami ng impormasyon na may mababang katumpakan, lalo na ang XRD.Bilang karagdagan, sinusuri ng dalawang pamamaraan ang iba't ibang bahagi ng materyal dahil ang XRD ay isang bultuhang pamamaraan habang ang XPS ay isang surface method na lumalapit lamang sa ilang nanometer.Ang O 1s spectrum ay nahahati sa dalawang peak sa 533 (22.2%) at 530.4 eV (77.8%).Ang una ay tumutugma sa OH, at ang pangalawa sa mga bono ng oxygen sa sala-sala sa WO.Ang pagkakaroon ng mga functional na grupo ng OH ay pare-pareho sa mga katangian ng hydration ng HWO.
Ang isang pagsusuri sa FTIR ay isinagawa din sa dalawang sample na ito upang suriin ang pagkakaroon ng mga functional na grupo at coordinated na mga molekula ng tubig sa hydrated na istraktura ng HWO.Ang mga resulta ay nagpapakita na ang HWO-50% C76 sample at ang FT-IR HWO na mga resulta ay mukhang pareho dahil sa pagkakaroon ng HWO, ngunit ang intensity ng mga taluktok ay naiiba dahil sa iba't ibang dami ng sample na ginamit sa paghahanda para sa pagsusuri (Fig. 5a ).HWO-50% C76 Lahat ng fullerene 24 peak ay ipinapakita maliban sa tungsten oxide peak.Detalyadong sa fig.Ipinapakita ng 5a na ang parehong mga sample ay nagpapakita ng isang napakalakas na malawak na banda sa ~ 710/cm, na maiugnay sa OWO stretching vibrations sa HWO lattice structure, at isang malakas na balikat sa ~ 840/cm, na maiugnay sa WO.ang matalim na banda sa ~1610/cm ay nauugnay sa baluktot na panginginig ng boses ng OH, at ang malawak na banda ng pagsipsip sa ~3400/cm ay nauugnay sa lumalawak na panginginig ng boses ng OH sa hydroxyl group43.Ang mga resultang ito ay pare-pareho sa XPS spectrum sa Fig. 4b, kung saan ang WO functional group ay maaaring magbigay ng mga aktibong site para sa VO2+/VO2+ reaction.
Pagsusuri ng FTIR ng HWO at HWO-50% C76 (a) na nagpapakita ng mga functional na grupo at mga sukat ng anggulo ng contact (b, c).
Ang pangkat ng OH ay maaari ring mag-catalyze ng reaksyon ng VO2+/VO2+, sa gayon ay tumataas ang hydrophilicity ng elektrod, at sa gayon ay nagpo-promote ng diffusion at mga rate ng paglilipat ng elektron.Ang HWO-50% C76 sample ay nagpapakita ng karagdagang C76 peak tulad ng ipinapakita sa figure.Ang mga taluktok sa ~2905, 2375, 1705, 1607, at 1445 cm3 ay maaaring italaga sa CH, O=C=O, C=O, C=C, at CO stretching vibrations, ayon sa pagkakabanggit.Kilalang-kilala na ang mga pangkat ng paggana ng oxygen na C=O at CO ay maaaring magsilbi bilang mga aktibong sentro para sa mga redox na reaksyon ng vanadium.Upang subukan at ihambing ang pagkabasa ng dalawang electrodes, ginamit ang mga sukat ng anggulo ng contact tulad ng ipinapakita sa Fig. 5b, c.Ang HWO electrode ay agad na sumisipsip ng mga patak ng tubig, na nagpapahiwatig ng superhydrophilicity dahil sa mga magagamit na OH functional group.Ang HWO-50% C76 ay mas hydrophobic, na may contact angle na humigit-kumulang 135° pagkatapos ng 10 segundo.Gayunpaman, sa mga pagsukat ng electrochemical, ang HWO-50%C76 electrode ay ganap na nabasa nang wala pang isang minuto.Ang mga pagsukat sa pagkabasa ay pare-pareho sa mga resulta ng XPS at FTIR, na nagmumungkahi na mas maraming pangkat ng OH sa ibabaw ng HWO ang ginagawang medyo hydrophilic.
Ang mga reaksyon ng VO2+/VO2+ ng HWO at HWO-C76 nanocomposites ay nasubok at inaasahan na pipigilan ng HWO ang ebolusyon ng chlorine gas na nagaganap sa panahon ng mga reaksyon ng VO2+/VO2+ sa mga halo-halong acid, habang ang C76 ay higit na magpapa-catalyze sa nais na VO2+/VO2+.Ang mga suspensyon ng HWO na naglalaman ng 10%, 30% at 50% C76 ay inilapat sa mga electrodes ng UCC na may kabuuang pagkarga na humigit-kumulang 2 mg/cm2.
Gaya ng ipinapakita sa fig.6, ang kinetics ng reaksyon ng VO2+/VO2+ sa ibabaw ng electrode ay sinuri gamit ang CV sa mixed acidic electrolytes.Ang mga alon ay ipinapakita bilang I/Ipa upang mapadali ang paghahambing ng ΔEp at Ipa/Ipc.Ang iba't ibang mga catalyst ay nakuha nang direkta mula sa figure.Ang kasalukuyang data ng unit ng lugar ay ipinapakita sa Figure 2S.Sa fig.Ipinapakita ng Figure 6a na bahagyang pinapataas ng HWO ang electron transfer rate ng VO2+/VO2+ redox reaction sa ibabaw ng electrode at pinipigilan ang reaksyon ng parasitic chlorine evolution.Gayunpaman, ang C76 ay makabuluhang pinatataas ang rate ng paglipat ng elektron at pinapagana ang reaksyon ng chlorine evolution.Samakatuwid, ang isang kumplikadong may tamang komposisyon ng HWO at C76 ay dapat magkaroon ng pinakamahusay na aktibidad at ang pinakamataas na kakayahang pigilan ang reaksyon ng chlorine.Napag-alaman na pagkatapos ng pagtaas ng nilalaman ng C76, ang aktibidad ng electrochemical ng elektrod ay bumuti, bilang ebidensya ng pagbaba sa ΔEp at isang pagtaas sa ratio ng Ipa/Ipc (Talahanayan S3).Kinumpirma din ito ng mga halaga ng RCT na kinuha mula sa plot ng Nyquist sa Fig. 6d (talahanayan S3), kung saan nalaman na ang mga halaga ng RCT ay bumaba sa pagtaas ng nilalaman ng C76.Ang mga resultang ito ay pare-pareho rin sa pag-aaral ni Lee kung saan ang pagdaragdag ng mesoporous carbon sa mesoporous WO3 ay nagpabuti ng charge transfer kinetics sa VO2+/VO2+35.Ito ay nagpapahiwatig na ang isang positibong reaksyon ay maaaring higit na nakasalalay sa kondaktibiti ng elektrod (C=C bond)18,24,35,36,37.Dahil sa pagbabago sa geometry ng koordinasyon sa pagitan ng [VO(H2O)5]2+ at [VO2(H2O)4]+, maaari ding bawasan ng C76 ang response overstrain sa pamamagitan ng pagbabawas ng tissue energy.Gayunpaman, maaaring hindi ito posible sa mga electrodes ng HWO.
(a) Cyclic voltammetric behavior ng UCC at HWO-C76 composites na may iba't ibang HWO:C76 ratios sa VO2+/VO2+ reactions sa 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl electrolyte (sa ν = 5 mV/s).(b) Randles-Sevchik at (c) Nicholson's VO2+/VO2+ na pamamaraan para sa pagtantya ng diffusion efficiency at pagkuha ng k0 values ​​​​(d).
Hindi lamang ipinakita ng HWO-50% C76 ang halos kaparehong aktibidad ng electrocatalytic gaya ng C76 para sa reaksyon ng VO2+/VO2+, ngunit, mas kawili-wili, pinigilan din nito ang ebolusyon ng chlorine gas kumpara sa C76, tulad ng ipinapakita sa figure.6a, bilang karagdagan sa pagpapakita ng mas maliit na kalahating bilog sa fig.6g (mas mababang RCT).Ang C76 ay nagpakita ng mas mataas na maliwanag na Ipa/Ipc kaysa sa HWO-50% C76 (Talahanayan S3), hindi dahil sa pinabuting reversibility ng reaksyon, ngunit dahil sa overlap sa chlorine reduction peak sa 1.2 V kumpara sa SHE.Ang pinakamahusay na pagganap ng HWO-50% C76 ay iniuugnay sa synergy sa pagitan ng negatibong sisingilin na mataas ang conductive C76 at ang mataas na pagkabasa at catalytic na functionality ng W-OH sa HWO.Habang ang mas kaunting chlorine emission ay magpapahusay sa kahusayan sa pagsingil ng buong cell, ang pinahusay na kinetics ay magpapataas sa kahusayan ng buong boltahe ng cell.
Ayon sa equation S1, para sa isang quasi-reversible (medyo mabagal na paglipat ng elektron) na reaksyon na kinokontrol ng diffusion, ang peak current (IP) ay nakasalalay sa bilang ng mga electron (n), electrode area (A), diffusion coefficient (D), number ng electron transfer coefficient (α) at ​​bilis ng pag-scan (ν).Upang pag-aralan ang pag-uugali na kinokontrol ng pagsasabog ng mga nasubok na materyales, ang relasyon sa pagitan ng IP at ν1/2 ay na-plot at ipinakita sa Fig. 6b.Dahil ang lahat ng mga materyales ay nagpapakita ng isang linear na relasyon, ang reaksyon ay kinokontrol ng pagsasabog.Dahil ang reaksyon ng VO2+/VO2+ ay quasi-reversible, ang slope ng linya ay nakasalalay sa diffusion coefficient at ang halaga ng α (equation S1).Dahil sa patuloy na diffusion coefficient (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52, ang pagkakaiba sa line slope ay direktang nagpapahiwatig ng iba't ibang halaga ng α at samakatuwid ay iba't ibang mga rate ng paglilipat ng elektron sa ibabaw ng electrode, na may C76 at HWO -50 % C76, na nagpapakita ng pinakamatarik na mga dalisdis (pinakamataas na rate ng paglipat ng elektron).
Ang mga kalkuladong low-frequency na Warburg slope (W) na ipinapakita sa Table S3 (Fig. 6d) ay may mga value na malapit sa 1 para sa lahat ng mga materyales, na nagpapahiwatig ng perpektong pagsasabog ng mga redox na particle at kinukumpirma ang linear na pag-uugali ng IP laban sa ν1/2 para sa CV .mga sukat .Para sa HWO-50% C76, lumihis ang slope ng Warburg mula sa pagkakaisa hanggang 1.32, na nagmumungkahi ng kontribusyon hindi lamang mula sa semi-infinite diffusion ng mga reactant (VO2+), kundi pati na rin sa posibleng thin-layer na pag-uugali sa diffusion behavior dahil sa electrode porosity.
Upang higit pang pag-aralan ang reversibility (rate ng paglipat ng elektron) ng VO2+/VO2+ redox reaction, ginamit din ang Nicholson quasi-reversible reaction method upang matukoy ang standard rate constant na k041.42.Ginagawa ito sa pamamagitan ng pag-plot ng walang sukat na kinetic parameter na Ψ bilang isang function ng ΔEp bilang isang function ng ν−1/2 gamit ang S2 equation.Ipinapakita ng talahanayan S4 ang nagresultang mga halaga ng Ψ para sa bawat materyal ng elektrod.I-plot ang mga resulta (Figure 6c) upang makakuha ng k0 × 104 cm/s (nakasulat sa tabi ng bawat row at ipinakita sa Table S4) gamit ang equation S3 para sa slope ng bawat plot.Ang HWO-50% C76 ay natagpuang may pinakamataas na slope (Larawan 6c) at samakatuwid ang pinakamataas na halaga ng k0 na 2.47 × 10–4 cm/s.Nangangahulugan ito na ang electrode na ito ay nagbibigay ng pinakamabilis na kinetics na naaayon sa mga resulta ng CV at EIS sa Mga Figure 6a at d at Table S3.Bilang karagdagan, ang mga halaga ng k0 ay nakuha din mula sa mga plot ng Nyquist (Larawan 6d) ng Equation S4 gamit ang mga halaga ng RCT (Talahanayan S3).Ang mga k0 na resulta mula sa EIS ay na-summarized sa Table S4 at ipinapakita din na ang HWO-50% C76 ay nagpapakita ng pinakamataas na rate ng paglipat ng elektron dahil sa synergistic na epekto.Kahit na ang halaga ng k0 ay naiiba dahil sa iba't ibang pinagmulan ng bawat pamamaraan, ito ay nagpapakita pa rin ng parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude at nagpapakita ng pagkakapare-pareho.
Upang lubos na maunawaan ang mahusay na kinetics na maaaring makamit, mahalagang ihambing ang pinakamainam na materyal ng elektrod sa mga hindi naka-insulated na UCC at TCC na mga electrodes.Para sa reaksyon ng VO2 + / VO2 +, ang HWO-C76 ay hindi lamang nagpakita ng pinakamababang ΔEp at mas mahusay na pagbabalik, ngunit makabuluhang pinigilan din ang reaksyon ng parasitic chlorine evolution kumpara sa TCC, tulad ng ipinahiwatig ng isang makabuluhang pagbaba ng kasalukuyang sa 1.45 V kumpara sa makita ang OHA (Fig. 7a).Sa mga tuntunin ng katatagan, ipinapalagay namin na ang HWO-50% C76 ay pisikal na matatag dahil ang katalista ay hinaluan ng isang PVDF binder at pagkatapos ay inilapat sa mga electrodes ng carbon cloth.Kung ikukumpara sa 50 mV para sa UCC, ang HWO-50% C76 ay nagpakita ng peak shift na 44 mV pagkatapos ng 150 cycle (degradation rate 0.29 mV/cycle) (Larawan 7b).Ito ay maaaring hindi isang malaking pagkakaiba, ngunit ang kinetics ng UCC electrodes ay napakabagal at degrades sa pagbibisikleta, lalo na para sa likod reaksyon.Bagama't ang reversibility ng TCC ay mas mahusay kaysa sa UCC, ang TCC ay natagpuan na may malaking peak shift na 73 mV pagkatapos ng 150 cycle, na maaaring dahil sa malaking halaga ng chlorine na inilabas mula sa ibabaw nito.Upang matiyak na ang katalista ay nakadikit nang maayos sa ibabaw ng elektrod.Tulad ng makikita sa lahat ng nasubok na electrodes, kahit na ang mga walang suportadong catalyst ay nagpapakita ng iba't ibang antas ng kawalang-tatag ng pagbibisikleta, na nagmumungkahi na ang mga pagbabago sa peak separation sa panahon ng pagbibisikleta ay dahil sa pag-deactivate ng materyal dahil sa mga pagbabago sa kemikal kaysa sa paghihiwalay ng catalyst.Gayundin, kung ang isang malaking halaga ng mga partikulo ng katalista ay ihihiwalay mula sa ibabaw ng elektrod, ito ay hahantong sa isang makabuluhang pagtaas sa peak separation (hindi lamang ng 44 mV), dahil ang substrate (UCC) ay medyo hindi aktibo para sa VO2+/VO2+ reaksyon ng redox.
Paghahambing ng CV (a) at katatagan ng redox reaction VO2+/VO2+ (b) ng pinakamainam na materyal na elektrod na may paggalang sa CCC.Sa electrolyte 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl, ang lahat ng CV ay katumbas ng ν = 5 mV/s.
Upang mapataas ang pagiging kaakit-akit sa ekonomiya ng teknolohiya ng VRFB, ang pagpapabuti at pag-unawa sa mga kinetika ng reaksyon ng vanadium redox ay mahalaga sa pagkamit ng mataas na kahusayan sa enerhiya.Ang mga composite na HWO-C76 ay inihanda at ang kanilang electrocatalytic na epekto sa reaksyon ng VO2+/VO2+ ay pinag-aralan.Ang HWO ay nagpakita ng kaunting kinetic enhancement ngunit makabuluhang pinigilan ang chlorine evolution sa mixed acidic electrolytes.Ang iba't ibang mga ratio ng HWO: C76 ay ginamit upang higit pang ma-optimize ang kinetics ng HWO-based na mga electrodes.Ang pagpapataas ng nilalaman ng C76 sa HWO ay maaaring mapabuti ang electron transfer kinetics ng VO2+/VO2+ reaction sa binagong electrode, kung saan ang HWO-50% C76 ay ang pinakamahusay na materyal dahil pinababa nito ang paglaban sa paglilipat ng singil at higit na pinipigilan ang chlorine gas evolution kumpara sa C76.at ang TCC ay inilabas.Ito ay dahil sa synergistic na epekto sa pagitan ng C=C sp2 hybridization, OH at W-OH functional group.Ang degradation rate ng HWO-50% C76 ay natagpuan na 0.29mV/cycle sa ilalim ng maramihang pagbibisikleta habang ang UCC at TCC ay 0.33mV/cycle at 0.49mV/cycle ayon sa pagkakabanggit, na ginagawa itong napaka-stable sa mixed acid electrolytes.Ang ipinakita na mga resulta ay matagumpay na natukoy ang mataas na pagganap ng mga materyales ng elektrod para sa reaksyon ng VO2+/VO2+ na may mabilis na kinetics at mataas na katatagan.Papataasin nito ang boltahe ng output, at sa gayon ay mapapabuti ang kahusayan ng kapangyarihan ng VRFB, at sa gayon ay mababawasan ang gastos ng komersyalisasyon nito sa hinaharap.
Ang mga dataset na ginamit at/o nasuri sa kasalukuyang pag-aaral ay makukuha mula sa kani-kanilang mga may-akda sa makatwirang kahilingan.
Luderer G. et al.Pagtatantya ng Hangin at Solar Power sa Global Low-Carbon Energy Scenario: Isang Panimula.Enerhiya Economics.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. at Kim, H. Pagsusuri ng epekto ng MnO2 deposition sa pagganap ng vanadium manganese redox flow na mga baterya.J. Electrochemistry.lipunan.165(5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA at Walsh, FK Dynamic unit cell model para sa all-vanadium redox flow na baterya.J. Electrochemistry.lipunan.158(6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA, at Mench, MM Isang in-situ na potensyal na modelo ng pagsukat at pag-verify para sa all-vanadium redox flow na baterya.J. Electrochemistry.lipunan.163(1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. at Suzuki, T. Pagmomodelo at simulation ng vanadium redox na baterya na may interdigitated flux field para ma-optimize ang istruktura ng electrode.J. Electrochemistry.lipunan.167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. at Skillas-Kazakos, M. Pagbabago ng Graphite Electrode Materials para sa Application sa Vanadium Redox Bateries – I. Heat Treatment.electrochemistry.Acta 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H., at Chen, J. Mga pagsulong sa mga materyales ng elektrod upang mapabuti ang density ng kapangyarihan sa mga baterya ng daloy ng vanadium (VFB).J. Energy Chemistry.27(5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al.Mataas na kahusayan ng vanadium redox flow cell na may na-optimize na pagsasaayos ng electrode at pagpili ng lamad.J. Electrochemistry.lipunan.159(8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., at Yang, K. Composite carbon nanotube catalyst electrodes na may carbon felt support para sa vanadium redox na mga application ng baterya.J. Power supply.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y., at Kwon, Y. Epekto ng bismuth sulfate na idineposito sa mga acidified na CNT sa pagganap ng vanadium redox flow na mga baterya.J. Electrochemistry.lipunan.166(12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.maghintay.Binago ang mga aktibong electrodes gamit ang platinum/multi-walled carbon nanotubes para sa vanadium redox flow na mga baterya.J. Electrochemistry.lipunan.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Ngunit, S. et al.Ang vanadium redox flow na baterya ay gumagamit ng mga electrocatalyst na pinalamutian ng nitrogen-doped carbon nanotubes na nagmula sa organometallic scaffolds.J. Electrochemistry.lipunan.165(7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al.Graphene oxide nanosheet bilang mahusay na electrochemically active na materyales para sa VO2+/ at V2+/V3+ redox couples para sa vanadium redox flow na mga baterya.Carbon 49(2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z. et al.Napakahusay na electrochemical performance ng graphene-modified graphite felt para sa vanadium redox na mga baterya.J. Power supply.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. at Santamaria R. Carbon nanowall films bilang nanostructured electrode materials sa vanadium redox flow na mga baterya.Nano Energy 1(6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J., at Yung H. Three-dimensional graphene-modified mesoporous carbon felt para sa mga high-performance na vanadium redox flow na baterya.electrochemistry.Act 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).