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意大利理工學(xué)院Sebastiano Bellani課題組--通過快速低壓組合氣體等離子處理生產(chǎn)的石墨烯電極用于釩氧化還原液流電池
       具有高能效(EEs)的高功率密度釩氧化還原液流電池(VRFBs)的開發(fā)對(duì)于這種儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛傳播至關(guān)重要。在這項(xiàng)工作中,我們報(bào)告了用于VRFB電極的新型分級(jí)碳納米材料的生產(chǎn),該材料對(duì)釩氧化還原反應(yīng)(VO2+/VO2+和V2+/V3+)具有高催化活性。電極材料是通過在感應(yīng)耦合射頻反應(yīng)器中對(duì)石墨氈(GFs)進(jìn)行快速(分鐘級(jí))低壓聯(lián)合氣體等離子體處理來生產(chǎn)的。通過系統(tǒng)地研究純氣體(O2和N2)或其組合在不同氣體等離子體壓力下的影響,優(yōu)化了電極以減少其對(duì)VRFB氧化還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)極化。為了進(jìn)一步提高電極的催化表面積,在聚合物粘合劑的存在下,通過滲透方法將通過高度可擴(kuò)展的濕噴磨剝離石墨生產(chǎn)的單層/幾層石墨烯結(jié)合到GFs中。根據(jù)質(zhì)子交換膜(Nafion 115或Nafion XL)的厚度,我們優(yōu)化的VRFB配置可以在廣泛的充電/放電電流密度范圍內(nèi)有效運(yùn)行,表現(xiàn)出高達(dá)93.9%、90.8%、88.3% 的能量效率,在25、50、75、100、200 和 300 mA cm-2下分別為85.6%、77.6%和69.5%。與商業(yè)技術(shù)(額外電極成本<100 € m-2)相比,我們的技術(shù)具有成本競(jìng)爭力,并且顯示出的EEs可與迄今為止報(bào)告的高效系統(tǒng)的創(chuàng)紀(jì)錄高值相媲美。我們的工作評(píng)論了研究改進(jìn)的等離子體條件或等離子體方法的重要性,以替代先前的報(bào)道(例如大氣等離子體),以進(jìn)一步提高當(dāng)前VRFB系統(tǒng)的電極性能。
 
  
Figure 1. 原始和等離子體處理的GFs的形態(tài)學(xué)分析。(a) 原始GFs的SEM圖像;(b) O2-40 Pa;(c) N2-40 Pa; (d) O2:N2 40 Pa; (e) O2:N2 16 Pa; (f) O2:N2 4 Pa。圖(d)-(f) 包括兩個(gè)不同的放大倍數(shù)。
 
  
Figure 2. 原始和等離子體處理的GFs的化學(xué)表征。(a) 電極的元素組成。電極中 (b) O和 (c) N的分布。數(shù)據(jù)是根據(jù)XPS光譜(寬掃描、C 1s、O 1s 和 N 1s 光譜)的分析估算
 
  
Figure 3. 原始和等離子體處理過的GFs的電化學(xué)表征。
 
 
Figure 4. 使用Nafion 115作為質(zhì)子交換膜,基于等離子體處理GFs的VRFBs的電化學(xué)性能。
 
  
Figure 5. GF/石墨烯電極的形態(tài)分析。(a, b) 石墨烯-O2:N2-4 Pa 電極的橫截面SEM圖像。
 
       相關(guān)研究成果于2021年由意大利理工學(xué)院Sebastiano Bellani課題組,發(fā)表在Chem. Mater.(https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c00763)上。原文:Graphene-Based Electrodes in a Vanadium Redox Flow Battery Produced by Rapid Low-Pressure Combined Gas Plasma Treatments。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)

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