钒电池石墨毡/碳复合材料的构建及催化研究

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全钒液流电池因具有启动速度快、安全性高、功率和容量可控等优点,而得到快速发展。石墨毡作为全钒液流电池常用电极,具有良好的导电性和稳定性,但其较低的比表面积和较差的电化学活性限制了大规模发展。针对这一系列问题,通过改变苯胺聚合环境,调整复合电极形貌、元素组成以及微观结构,进一步提高电池整体性能。采用电沉积和高温煅烧制备N掺杂碳纳米网络包裹石墨毡电极。通过调控电沉积时间和煅烧温度得到碳纳米网络结构。原位包裹的N掺杂碳纳米网络,可以提高电极比表面积,增强石墨毡纤维之间的连通性,降低电极电阻,同时还可以显著提高电极的稳定性。改性电极可提高电池电解液利用率,在200 m A·cm-2电流密度下,改性电池的放电容量较空白电池提高了233 m A·h。通过引入质子酸,结合电沉积和高温碳化,制备N、P共掺碳纤维/石墨毡复合电极。探究沉积溶液中质子酸浓度和种类对电极形貌、异质元素含量以及性能的影响。引入的N、P元素使电极具有更多的缺陷结构和活性位点,同时N、P协同作用改变电极表面电荷分布。电化学测试表明,N、P共掺电极的性能优于单独掺N电极。此外,改性电池在200 m A·cm-2时的能量效率为60.84%,比空白电池提高了7.2%。经过150次充放电,改性电池展现出良好的催化和效率稳定性。以金属有机框架材料ZIF-67和聚苯胺为中间体,通过高温热解制备具多维碳纳米材料改性石墨毡电极(Co N/CNF/GF)。ZIF-67和聚苯胺衍生的碳材料为电极反应提供反应场所和导电网络。Co、N共掺以及多维碳结构可以提高电极亲水性和导电性进而加速电极的吸附、扩散和电子传递过程。Co N/CNF/GF电极的电化学性能优于单独碳纳米纤维改性电极和单独碳纳米颗粒改性电极。Co N/CNF/GF电池在300 m A·cm-2的高电流密度下仍能保持55.7%的能量效率。图52幅;表3个;参93篇。
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