Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Vertoon 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig.Gebruik die Vorige en Volgende-knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
Vlekvrye staal 304 spoelbuis chemiese samestelling
304 vlekvrye staal spoelbuis is 'n soort austenitiese chroom-nikkellegering.Volgens die Stainless Steel 304 Coil Tube Manufacturer is die hoofkomponent daarin Cr (17%-19%) en Ni (8%-10.5%).Om sy weerstand teen korrosie te verbeter, is daar klein hoeveelhede Mn (2%) en Si (0,75%).
| Graad | Chroom | Nikkel | Koolstof | Magnesium | Molibdeen | Silikon | Fosfor | swael |
| 304 | 18 – 20 | 8 – 11 | 0,08 | 2 | - | 1 | 0,045 | 0,030 |
Vlekvrye staal 304 spoelbuis meganiese eienskappe
Die meganiese eienskappe van 304 vlekvrye staal spoelbuis is soos volg:
- Treksterkte: ≥515MPa
- Opbrengsterkte: ≥205MPa
- Verlenging: ≥30%
| Materiaal | Temperatuur | Trek sterkte | Lewer krag | Verlenging |
| 304 | 1900 | 75 | 30 | 35 |
Toepassings en gebruike van vlekvrye staal 304 spoelbuis
Die relatief hoë koste van vanadium redoksvloeibatterye (VRFB's) beperk hul wydverspreide gebruik.Die kinetika van elektrochemiese reaksies moet verbeter word om die drywingsdigtheid en energiedoeltreffendheid van die VRFB te verhoog en sodoende die kWh-koste van die VRFB te verminder.In hierdie werk is hidrotermies gesintetiseerde gehidreerde wolframoksied (HWO) nanopartikels, C76 en C76/HWO, op koolstofdoekelektrodes neergesit en as elektrokatalisators vir die VO2+/VO2+ redoksreaksie getoets.Veldemissie-skanderingselektronmikroskopie (FESEM), energieverspreidende X-straalspektroskopie (EDX), hoë-resolusie transmissie-elektronmikroskopie (HR-TEM), X-straaldiffraksie (XRD), X-straalfoto-elektronspektroskopie (XPS), infrarooi Fourier transformeer Spektroskopie (FTIR) en kontakhoekmetings.Daar is gevind dat die byvoeging van C76 fullereen tot HWO die kinetika van die elektrode ten opsigte van die VO2+/VO2+ redoksreaksie kan verbeter deur die geleidingsvermoë te verhoog en suurstofbevattende funksionele groepe op sy oppervlak te verskaf.Die HWO/C76 saamgestelde (50 gew.% C76) het geblyk die mees geskikte te wees vir die VO2+/VO2+ reaksie met ΔEp van 176 mV in vergelyking met 365 mV vir onbehandelde koolstofdoek (UCC).Daarbenewens het die HWO/C76 saamgestelde beduidende inhibisie van die parasitiese chloor evolusie reaksie getoon as gevolg van die W-OH funksionele groepe.
Intense menslike aktiwiteite en die vinnige industriële rewolusie het gelei tot 'n onstuitbare hoë vraag na elektrisiteit, wat met sowat 3% per jaar groei1.Vir dekades het die wydverspreide gebruik van fossielbrandstowwe as 'n bron van energie gelei tot kweekhuisgasvrystellings, wat lei tot aardverwarming, water- en lugbesoedeling, wat die hele ekosisteme bedreig.Gevolglik sal die aandeel van skoon hernubare energie en sonkrag teen 2050 75% van die totale elektrisiteit bereik1.Wanneer hernubare energieproduksie egter 20% van die totale elektrisiteitsproduksie oorskry, word die netwerk onstabiel 1. Die ontwikkeling van doeltreffende energiebergingstelsels is van kritieke belang vir hierdie oorgang, aangesien hulle oortollige elektrisiteit moet stoor en vraag en aanbod moet balanseer.
Onder alle energiebergingstelsels soos hibriede vanadiumredoksvloeibatterye2, is alle vanadiumredoksvloeibatterye (VRFB's) die mees gevorderd vanweë hul vele voordele3 en word dit beskou as die beste oplossing vir langtermyn-energieberging (~30 jaar).Gebruik van hernubare energiebronne4.Dit is te danke aan die skeiding van krag en energiedigtheid, vinnige reaksie, lang lewe en relatief lae jaarlikse koste van $65/kWh in vergelyking met $93-140/kWh vir Li-ioon- en loodsuurbatterye en 279-420 USD/kWh./kWh batterye onderskeidelik 4.
Hulle wydverspreide kommersialisering word egter steeds belemmer deur relatief hoë stelselkapitaalkoste, hoofsaaklik as gevolg van batterypakke4,5.Dus, die verbetering van batterywerkverrigting deur die kinetika van twee halfselreaksies te verhoog, kan batterygrootte verminder en sodoende koste verminder.Daarom word vinnige elektronoordrag na die elektrode-oppervlak vereis, afhangende van die ontwerp, samestelling en struktuur van die elektrode, wat versigtig geoptimaliseer moet word.Alhoewel koolstofgebaseerde elektrodes goeie chemiese en elektrochemiese stabiliteit en goeie elektriese geleidingsvermoë het, sal hulle kinetika, indien onbehandeld gelaat word, stadig wees as gevolg van die afwesigheid van suurstof funksionele groepe en hidrofilisiteit7,8.Daarom word verskeie elektrokatalisators gekombineer met koolstofelektrodes, veral koolstofnanostrukture en metaaloksiede, om die kinetika van beide elektrodes te verbeter en sodoende die kinetika van die VRFB-elektrodes te verhoog.
Baie koolstofmateriale is gebruik, soos koolstofpapier9, koolstofnanobuise10,11,12,13, grafeengebaseerde nanostrukture14,15,16,17, koolstofnanovesels18 en ander19,20,21,22,23, behalwe vir die fullereenfamilie .In ons vorige studie oor C76, het ons vir die eerste keer die uitstekende elektrokatalitiese aktiwiteit van hierdie fullereen teenoor VO2+/VO2+ gerapporteer, in vergelyking met hittebehandelde en onbehandelde koolstofdoeke, die ladingoordragweerstand is verminder met 99.5% en 97%24.Die katalitiese werkverrigting van die koolstofmateriale vir die VO2+/VO2+ reaksie in vergelyking met C76 word in Tabel S1 getoon.Aan die ander kant word baie metaaloksiede soos CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 en WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 gebruik as gevolg van hul verhoogde benatbaarheid en hoë suurstofinhoud.groepe.Tabel S2 toon die katalitiese werkverrigting van hierdie metaaloksiede in die VO2+/VO2+ reaksie.WO3 is in 'n aansienlike aantal werke gebruik as gevolg van sy lae koste, hoë stabiliteit in suur media, en hoë katalitiese aktiwiteit31,32,33,34,35,36,37,38.WO3 het egter min verbetering in katodekinetika getoon.Om die geleidingsvermoë van WO3 te verbeter, is die effek van die gebruik van verminderde wolframoksied (W18O49) op positiewe elektrode-aktiwiteit getoets38.Gehidreerde wolframoksied (HWO) is nog nooit in VRFB-toepassings getoets nie, alhoewel dit hoër aktiwiteit in superkapasitortoepassings getoon het as gevolg van vinniger katioondiffusie in vergelyking met watervrye WOx39,40.Die derde generasie volvanadium redoksvloeibattery gebruik 'n gemengde suurelektroliet wat uit HCl en H2SO4 bestaan om batterywerkverrigting te verbeter en die oplosbaarheid en stabiliteit van vanadiumione in die elektroliet te verbeter.Die parasitiese chloor-evolusie-reaksie het egter een van die nadele van die derde generasie geword, so om maniere te vind om die chloorevalueringsreaksie te onderdruk, het die taak van verskeie navorsingsgroepe geword.
Hier is VO2+/VO2+-reaksietoetse uitgevoer op HWO/C76-komposiete wat op koolstofdoekelektrodes neergelê is om 'n balans te vind tussen die elektriese geleidingsvermoë van die samestellings en die redoksreaksiekinetika op die elektrode-oppervlak terwyl parasitiese chloorneerslag onderdruk word.reaksie (KVR).Gehidreerde wolframoksied (HWO) nanopartikels is deur 'n eenvoudige hidrotermiese metode gesintetiseer.Eksperimente is uitgevoer in 'n gemengde suur elektroliet (H2SO4/HCl) om derde generasie VRFB (G3) gerieflikheidshalwe te simuleer en om die effek van HWO op die parasitiese chloor evolusie reaksie te ondersoek42.
Vanadium(IV)sulfaatoksiedhidraat (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), swaelsuur (H2SO4), soutsuur (HCl), dimetielformamied (DMF, Sigma-Aldrich), polivinielideenfluoried (PVDF, Sigma-Aldrich), natrium Wolframoksieddihidraat (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) en hidrofiele koolstofdoek ELAT (Fuel Cell Store) is in hierdie studie gebruik.
Gehidreerde wolframoksied (HWO) is voorberei deur 'n hidrotermiese reaksie waarin 2 g van die Na2WO4-sout in 12 ml HO opgelos is totdat 'n kleurlose oplossing verkry is, en dan is 12 ml 2 M HCl druppelsgewys bygevoeg tot 'n liggeel suspensie verkry is.skorsing.Die hidrotermiese reaksie is uitgevoer in 'n Teflon-bedekte vlekvrye staal outoklaaf in 'n oond by 180 ºC vir 3 uur.Die oorblyfsel is deur filtrasie versamel, 3 keer met etanol en water gewas, in 'n oond by 70°C vir ~3 uur gedroog, en dan gemaal om 'n blougrys HWO poeier te verkry.
Die verkryde (onbehandelde) koolstof lap elektrodes (CCT's) is gebruik in die vorm waarin dit verkry is of aan hittebehandeling onderwerp is in 'n buisoond by 450°C vir 10 uur teen 'n verhittingstempo van 15°C/min in lug tot verkry behandelde UCC (TCC), s Dieselfde as vorige werk 24. UCC en TCC is in elektrodes gesny van ongeveer 1,5 cm breed en 7 cm lank.Suspensies van C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 en HWO-50% C76 is berei deur 20 mg aktiewe materiaalpoeier en 10 gew.% (~2.22 mg) PVDF-bindmiddel by ~1 ml van DMF voorberei in en gesoniceer vir 1 uur om eenvormigheid te verbeter.Daarna is 2 mg C76, HWO en HWO-C76 komposiete toegedien op ongeveer 1.5 cm2 van die UCC aktiewe elektrode area.Alle katalisators is op UCC-elektrodes gelaai en TCC is slegs vir vergelykingsdoeleindes gebruik, aangesien ons vorige werk getoon het dat hittebehandeling nie nodig is nie 24 .Indrukversakking is verkry deur 100 µl van die suspensie te borsel (lading 2 mg) vir groter eenvormigheid.Dan is al die elektrodes oornag by 60°C in 'n oond gedroog.Die elektrodes word voor en na gemeet om akkurate voorraadlading te verseker.Om 'n sekere geometriese area (~1.5 cm2) te hê en die opkoms van die vanadiumelektroliet na die elektrodes as gevolg van die kapillêre effek te voorkom, is 'n dun lagie paraffien oor die aktiewe materiaal aangebring.
'n Veldemissie-skanderingselektronmikroskoop (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60.5 kV) is gebruik om die HWO-oppervlakmorfologie waar te neem.Energieverspreidende X-straalspektroskopie toegerus met Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) is gebruik om die HWO-50%C76 elemente op die UCC elektrodes te karteer.'n Hoë resolusie transmissie elektronmikroskoop (HR-TEM, JOEL JEM-2100) wat teen 'n versnellende spanning van 200 kV werk, is gebruik om hoë resolusie beelde en diffraksieringe van HWO deeltjies te verkry.Gebruik die Crystallographic Tool Box (CrysTBox)-sagteware om HWO-diffraksieringe met behulp van die ringGUI-funksie te ontleed en die resultate met XRD-modelle te vergelyk.Die struktuur en grafitisering van UCC en TCC is bepaal deur X-straaldiffraksie (XRD) teen 'n skanderingstempo van 2.4°/min van 5° tot 70° met Cu Kα (λ = 1.54060 Å) met behulp van 'n Panalitiese X-straaldiffraktometer.(Model 3600).XRD toon die kristalstruktuur en fases van HWO.Die PANalytical X'Pert HighScore-sagteware is gebruik om die HWO-pieke te pas by die wolframoksiedkaarte wat in die databasis beskikbaar is45.Vergelyk die HWO-resultate met die TEM-resultate.Die chemiese samestelling en toestand van die HWO-monsters is bepaal deur X-straalfoto-elektronspektroskopie (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).Die CASA-XPS sagteware (v 2.3.15) is gebruik vir piek dekonvolusie en data-analise.Fourier transform infrarooi spektroskopie (FTIR, met behulp van 'n Perkin Elmer klas KBr FTIR spektrometer) metings is uitgevoer om die oppervlak funksionele groepe van HWO en HWO-50%C76 te bepaal.Vergelyk die resultate met die XPS-resultate.Kontakhoekmetings (KRUSS DSA25) is ook gebruik om die benatbaarheid van die elektrodes te karakteriseer.
Vir alle elektrochemiese metings is 'n Biologic SP 300 werkstasie gebruik.Sikliese voltammetrie (CV) en elektrochemiese impedansie spektroskopie (EIS) is gebruik om die elektrodekinetika van die VO2+/VO2+ redoksreaksie en die effek van reagensdiffusie (VOSO4 (VO2+)) op die reaksietempo te bestudeer.Beide tegnologieë gebruik 'n drie-elektrode sel met 'n elektrolietkonsentrasie van 0,1 M VOSO4 (V4+) opgelos in 1 M H2SO4 + 1 M HCl (gemengde suur).Alle elektrochemiese data wat aangebied word, is IR-gekorrigeer.'n Versadigde kalomelelektrode (SCE) en 'n platinum (Pt) spoel is onderskeidelik as verwysings- en teenelektrode gebruik.Vir CV is skanderingstempo's (ν) van 5, 20 en 50 mV/s toegepas op 'n potensiële venster (0–1) V in vergelyking met SCE vir VO2+/VO2+, en dan op die SHE-skaal gekorrigeer om te plot (VSCE = 0.242 V relatief tot HSE) .Om die behoud van elektrode-aktiwiteit te ondersoek, is 'n CV-herwinning uitgevoer op UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO en UCC-HWO-50% C76 by ν gelyk aan 5 mV/s.Vir EIS-metings vir die VO2+/VO2+ redoksreaksie is 'n frekwensiereeks van 0.01-105 Hz en 'n oopbaanspanning (OCV) versteuring van 10 mV gebruik.Elke eksperiment is 2-3 keer herhaal om die konsekwentheid van die resultate te verseker.Die heterogene tempokonstantes (k0) is verkry deur die Nicholson-metode46,47.
Gehidreerde wolframoksied (HVO) is suksesvol gesintetiseer deur die hidrotermiese metode.SEM-beeld in fig.1a toon dat die gedeponeerde HWO uit trosse nanopartikels met deeltjiegroottes in die reeks van 25–50 nm bestaan.
Die X-straaldiffraksiepatroon van HWO toon pieke (001) en (002) by onderskeidelik ~23.5° en ~47.5°, wat kenmerkend is van niestoïgiometriese WO2.63 (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21.4 Å, b = 17.8 Å, c = 3.8 Å, α = β = γ = 90°), wat ooreenstem met sy oënskynlike blou kleur (Fig. 1b)48,49.Ander pieke by ongeveer 20.5°, 27.1°, 28.1°, 30.8°, 35.7°, 36.7° en 52.7° is by (140), (620), (350), (720), (740), (560).en (970) diffraksievlakke, onderskeidelik, 49 ortorombiese WO2.63.Songara et al.43 het dieselfde sintetiese metode gebruik om 'n wit produk te verkry, wat toegeskryf is aan die teenwoordigheid van WO3(H2O)0.333.In hierdie werk is egter, as gevolg van verskillende toestande, 'n blougrys produk verkry, wat die naasbestaan van WO3(H2O)0.333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7.7 ) in Å aandui , α = β = γ = 90°) en die gereduseerde vorm van wolframoksied.Semikwantitatiewe analise met X'Pert HighScore sagteware het 26% WO3(H2O)0.333: 74% W32O84 getoon.Aangesien W32O84 uit W6+ en W4+ (1.67:1 W6+:W4+) bestaan, is die geskatte inhoud van W6+ en W4+ onderskeidelik ongeveer 72% W6+ en 28% W4+.SEM-beelde, 1-sekonde XPS-spektra op kernvlak, TEM-beelde, FTIR-spektra en Raman-spektra van C76-deeltjies is in ons vorige referaat24 aangebied.Volgens Kawada et al.50,51 toon X-straaldiffraksiepatroon van C76 die monokliniese struktuur van FCC na verwydering van tolueen.
SEM beelde in fig.2a en b toon die suksesvolle afsetting van HWO en HWO-50%C76 op en tussen die koolstofvesels van die UCC-elektrodes.Elementêre kartering van wolfram, koolstof en suurstof in die SEM-beeld in Fig. 2c word in fig.2d–f wat wys dat die wolfram en koolstof eenvormig gemeng is (wat 'n soortgelyke verspreiding toon) oor die elektrode-oppervlak en dat die saamgestelde nie eweredig neergelê word nie.as gevolg van die aard van die neerslagmetode.
SEM-beelde van gedeponeerde HWO-deeltjies (a) en HWO-C76-deeltjies (b).EDX-kartering wat na HWO-C76 by UCC opgelaai is deur die area in beeld (c) te gebruik, toon die verspreiding van wolfram (d), koolstof (e) en suurstof (f) in die monster.
HR-TEM is gebruik vir hoë vergroting beelding en kristallografiese inligting (Figuur 3).Die HWO demonstreer die nanokubusmorfologie soos getoon in Figuur 3a en meer duidelik in Figuur 3b.Deur die nanokubus vir diffraksie van 'n geselekteerde area te vergroot, kan die roosterstruktuur en diffraksievlakke wat aan Bragg se wet voldoen, gevisualiseer word soos in Figuur 3c getoon, wat die kristalliniteit van die materiaal bevestig.In die inlas van Fig. 3c toon die afstand d 3.3 Å wat ooreenstem met die (022) en (620) diffraksievlakke in die WO3(H2O)0.333 en W32O84, 43, 44, 49 fases, onderskeidelik.Dit stem ooreen met die bogenoemde XRD-analise (Fig. 1b) aangesien die waargenome roostervlakafstand d (Fig. 3c) ooreenstem met die sterkste XRD-piek in die HWO-monster.Monsterringe word ook in fig.3d, waar elke ring ooreenstem met 'n aparte vlak.Die WO3(H2O)0.333- en W32O84-vlakke is onderskeidelik wit en blou gekleur, en hul ooreenstemmende XRD-pieke word ook in Fig. 1b getoon.Die eerste ring wat in die ringpatroon getoon word, stem ooreen met die eerste gemerkte piek in die x-straalpatroon van die (022) of (620) diffraksievlak.Van (022) tot (402) ringe is d-afstande van 3.30, 3.17, 2.38, 1.93 en 1.69 Å gevind, wat ooreenstem met XRD-waardes van 3.30, 3.17, 2.45, 1.93 en 1.66.Å, 44, 45, onderskeidelik.
(a) HR-TEM beeld van HWO, (b) toon 'n vergrote beeld.Beelde van die roostervlakke word in (c) getoon, en inlas (c) toon 'n vergrote beeld van die vlakke en die interval d 0.33 nm wat ooreenstem met die (002) en (620) vlakke.(d) HWO-ringpatroon wat die vlakke toon wat met die WO3(H2O)0.333 (wit) en W32O84 (blou) fases geassosieer word.
XPS-analise is uitgevoer om die oppervlakchemie en oksidasietoestand van wolfram te bepaal (Figure S1 en 4).Die spektrum van die wye-reeks XPS-skandering van die gesintetiseerde HWO word in Fig.S1, wat die teenwoordigheid van wolfram aandui.Die XPS-smalskanderingsspektra van die hoof W 4f- en O 1s-vlakke word in Fig.4a en b, onderskeidelik.Die W 4f-spektrum word in twee spin-baan-dublette verdeel wat ooreenstem met die bindingsenergie van die oksidasietoestand W. Die pieke W 4f5/2 en W 4f7/2 by bindingsenergieë van 37.8 en 35.6 eV behoort aan W6+, en die pieke W 4f5/2 en W 4f7/2 by 36.6 en 34.9 eV is onderskeidelik kenmerkend van die W4+ toestand.Die teenwoordigheid van die oksidasietoestand (W4+) bevestig verder die vorming van nie-stoïgiometriese WO2.63, terwyl die teenwoordigheid van W6+ stoïgiometriese WO3 as gevolg van WO3(H2O)0.333 aandui.Die toegeruste data het getoon dat die atoompersentasies van W6+ en W4+ onderskeidelik 85% en 15% was, wat relatief naby aan die waardes was wat uit die XRD-data geskat is, gegewe die verskil tussen die twee tegnologieë.Beide metodes verskaf kwantitatiewe inligting met lae akkuraatheid, veral XRD.Daarbenewens ontleed die twee metodes verskillende dele van die materiaal omdat XRD 'n grootmaatmetode is terwyl XPS 'n oppervlakmetode is wat slegs 'n paar nanometers nader.Die O 1s-spektrum verdeel in twee pieke teen 533 (22.2%) en 530.4 eV (77.8%).Die eerste stem ooreen met OH, en die tweede met suurstofbindings in die rooster in WO.Die teenwoordigheid van OH funksionele groepe stem ooreen met die hidrasie eienskappe van HWO.
'n FTIR-analise is ook op hierdie twee monsters uitgevoer om die teenwoordigheid van funksionele groepe en gekoördineerde watermolekules in die gehidreerde HWO-struktuur te ondersoek.Die resultate toon dat die HWO-50% C76 monster en die FT-IR HWO resultate dieselfde lyk as gevolg van die teenwoordigheid van HWO, maar die intensiteit van die pieke verskil as gevolg van verskillende hoeveelhede monster wat tydens voorbereiding vir analise gebruik is (Fig. 5a) ).HWO-50% C76 Alle fullereen 24-pieke word getoon behalwe vir die wolframoksiedpiek.Gedetailleerd in fig.5a toon dat beide monsters 'n baie sterk breë band by ~710/cm vertoon, toegeskryf aan OWO strekvibrasies in die HWO roosterstruktuur, en 'n sterk skouer by ~840/cm, toegeskryf aan WO.die skerp band by ~1610/cm hou verband met die buigvibrasie van OH, en die breë absorpsieband by ~3400/cm hou verband met die strekvibrasie van OH in die hidroksielgroep43.Hierdie resultate stem ooreen met die XPS spektrum in Fig. 4b, waar die WO funksionele groep aktiewe plekke vir die VO2+/VO2+ reaksie kan verskaf.
FTIR-analise van HWO en HWO-50% C76 (a) wat funksionele groepe en kontakhoekmetings toon (b, c).
Die OH-groep kan ook die VO2+/VO2+-reaksie kataliseer, waardeur die hidrofilisiteit van die elektrode verhoog word, en sodoende diffusie- en elektronoordragtempo's bevorder.Die HWO-50% C76 monster toon 'n bykomende C76 piek soos in die figuur getoon.Die pieke by ~2905, 2375, 1705, 1607 en 1445 cm3 kan onderskeidelik aan die CH-, O=C=O-, C=O-, C=C- en CO-strekvibrasies toegeken word.Dit is welbekend dat die suurstof funksionele groepe C=O en CO as aktiewe sentrums vir die redoksreaksies van vanadium kan dien.Om die benatbaarheid van die twee elektrodes te toets en te vergelyk, is kontakhoekmetings gebruik soos getoon in Fig. 5b, c.Die HWO-elektrode absorbeer onmiddellik waterdruppels, wat superhidrofilisiteit aandui as gevolg van die beskikbare OH-funksionele groepe.HWO-50% C76 is meer hidrofobies, met 'n kontakhoek van ongeveer 135° na 10 sekondes.In elektrochemiese metings is die HWO-50%C76-elektrode egter heeltemal benat in minder as 'n minuut.Die benatbaarheidsmetings stem ooreen met XPS- en FTIR-resultate, wat daarop dui dat meer OH-groepe op die HWO-oppervlak dit relatief meer hidrofiel maak.
Die VO2+/VO2+ reaksies van HWO en HWO-C76 nanosamestellings is getoets en daar is verwag dat HWO die evolusie van chloorgas wat plaasvind tydens VO2+/VO2+ reaksies in gemengde sure sou onderdruk, terwyl C76 die gewenste VO2+/VO2+ verder sou kataliseer.HWO suspensies wat 10%, 30% en 50% C76 bevat, is toegedien op UCC elektrodes met 'n totale lading van ongeveer 2 mg/cm2.
Soos in fig.6, is die kinetika van die VO2+/VO2+ reaksie op die elektrode-oppervlak ondersoek met behulp van CV in gemengde suur elektroliete.Strome word as I/Ipa getoon om vergelyking van ΔEp en Ipa/Ipc te vergemaklik.Verskeie katalisators word direk vanaf die figuur verkry.Die huidige oppervlakte-eenheiddata word in Figuur 2S getoon.Op fig.Figuur 6a toon dat HWO die elektronoordragtempo van die VO2+/VO2+ redoksreaksie op die elektrode-oppervlak effens verhoog en die reaksie van parasitiese chloor-evolusie onderdruk.C76 verhoog egter die elektronoordragtempo aansienlik en kataliseer die chloor-evolusiereaksie.Daarom behoort 'n kompleks met die korrekte samestelling van HWO en C76 die beste aktiwiteit en die hoogste vermoë te hê om die chloorreaksie te inhibeer.Daar is gevind dat na die verhoging van die C76-inhoud, die elektrochemiese aktiwiteit van die elektrode verbeter het, soos blyk uit 'n afname in ΔEp en 'n toename in die Ipa/Ipc-verhouding (Tabel S3).Dit is ook bevestig deur die RCT-waardes wat uit die Nyquist-plot in Fig. 6d (tabel S3) onttrek is, waar gevind is dat die RCT-waardes afgeneem het met toenemende inhoud van C76.Hierdie resultate stem ook ooreen met Lee se studie waarin die byvoeging van mesoporiese koolstof tot mesopore WO3 die ladingoordragkinetika op VO2+/VO2+35 verbeter het.Dit dui daarop dat 'n positiewe reaksie meer kan afhang van die geleidingsvermoë van die elektrode (C=C-binding)18,24,35,36,37.As gevolg van die verandering in die koördinasiegeometrie tussen [VO(H2O)5]2+ en [VO2(H2O)4]+, kan C76 ook die reaksie-oorspanning verminder deur weefselenergie te verminder.Dit mag egter nie moontlik wees met HWO-elektrodes nie.
(a) Sikliese voltammetriese gedrag van UCC en HWO-C76 komposiete met verskillende HWO:C76 verhoudings in VO2+/VO2+ reaksies in 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elektroliet (by ν = 5 mV/s).(b) Randles-Sevchik en (c) Nicholson se VO2+/VO2+-metode vir die skatting van diffusiedoeltreffendheid en die verkryging van k0-waardes (d).
Nie net het HWO-50% C76 amper dieselfde elektrokatalitiese aktiwiteit as C76 vir die VO2+/VO2+-reaksie getoon nie, maar, meer interessant, het dit die evolusie van chloorgas bykomend onderdruk in vergelyking met C76, soos in die figuur getoon.6a, benewens om die kleiner halfsirkel in fig.6g (laer RCT).C76 het 'n hoër skynbare Ipa/Ipc getoon as HWO-50% C76 (Tabel S3), nie as gevolg van verbeterde reaksie-omkeerbaarheid nie, maar as gevolg van oorvleueling met die chloorverminderingspiek by 1.2 V in vergelyking met SHE.Die beste prestasie van HWO-50% C76 word toegeskryf aan die sinergie tussen die negatief gelaaide hoogs geleidende C76 en die hoë benatbaarheid en katalitiese funksionaliteite van W-OH op HWO.Terwyl minder chlooremissie die laaidoeltreffendheid van die volle sel sal verbeter, sal verbeterde kinetika die doeltreffendheid van die volle selspanning verhoog.
Volgens vergelyking S1, vir 'n kwasi-omkeerbare (relatief stadige elektronoordrag) reaksie wat deur diffusie beheer word, hang die piekstroom (IP) af van die aantal elektrone (n), elektrode-area (A), diffusiekoëffisiënt (D), getal van elektrone-oordragkoëffisiënt (α) en skanderingspoed (ν).Ten einde die diffusiebeheerde gedrag van die getoetste materiale te bestudeer, is die verhouding tussen IP en ν1/2 geplot en in Fig. 6b getoon.Aangesien alle materiale 'n lineêre verwantskap toon, word die reaksie deur diffusie beheer.Aangesien die VO2+/VO2+-reaksie kwasi-omkeerbaar is, hang die helling van die lyn af van die diffusiekoëffisiënt en die waarde van α (vergelyking S1).As gevolg van die konstante diffusiekoëffisiënt (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52, dui die verskil in lynhelling direk op verskillende waardes van α en dus verskillende tempo's van elektronoordrag na die elektrode-oppervlak, met C76 en HWO -50 % C76, wat die steilste hellings vertoon (hoogste elektronoordragtempo).
Die berekende lae-frekwensie Warburg-hellings (W) wat in Tabel S3 (Fig. 6d) getoon word, het waardes naby aan 1 vir alle materiale, wat die perfekte diffusie van redoksdeeltjies aandui en die lineêre gedrag van IP versus ν1/2 vir CV bevestig.metings.Vir HWO-50% C76 wyk die Warburg-helling af van eenheid tot 1.32, wat 'n bydrae suggereer nie net van die semi-oneindige diffusie van reaktante (VO2+), maar moontlik ook dunlaaggedrag in die diffusiegedrag as gevolg van elektrodeporositeit.
Om die omkeerbaarheid (elektronoordragtempo) van die VO2+/VO2+ redoksreaksie verder te ontleed, is die Nicholson kwasi-omkeerbare reaksiemetode ook gebruik om die standaard tempokonstante k041.42 te bepaal.Dit word gedoen deur die dimensielose kinetiese parameter Ψ as 'n funksie van ΔEp as 'n funksie van ν−1/2 te teken deur die S2-vergelyking te gebruik.Tabel S4 toon die gevolglike Ψ-waardes vir elke elektrodemateriaal.Stip die resultate (Figuur 6c) om k0 × 104 cm/s te verkry (geskryf langs elke ry en aangebied in Tabel S4) deur gebruik te maak van vergelyking S3 vir die helling van elke plot.Daar is gevind dat HWO-50% C76 die hoogste helling het (Fig. 6c) en dus die hoogste k0-waarde van 2.47 × 10–4 cm/s.Dit beteken dat hierdie elektrode die vinnigste kinetika verskaf wat ooreenstem met die CV- en EIS-resultate in Figure 6a en d en Tabel S3.Daarbenewens is die k0 waardes ook verkry uit die Nyquist plotte (Fig. 6d) van Vergelyking S4 deur gebruik te maak van die RCT waardes (Tabel S3).Hierdie k0 resultate van EIS word in Tabel S4 opgesom en toon ook dat HWO-50% C76 die hoogste elektronoordragtempo vertoon as gevolg van die sinergistiese effek.Al verskil die waarde van k0 as gevolg van die verskillende oorsprong van elke metode, toon dit steeds dieselfde grootteorde en toon konsekwentheid.
Om die uitstekende kinetika wat bereik kan word ten volle te verstaan, is dit belangrik om die optimale elektrodemateriaal met ongeïsoleerde UCC- en TCC-elektrodes te vergelyk.Vir die VO2+/VO2+-reaksie het HWO-C76 nie net die laagste ΔEp en beter omkeerbaarheid getoon nie, maar het ook die parasitiese chloor-evolusiereaksie aansienlik onderdruk in vergelyking met TCC, soos aangedui deur 'n beduidende stroomdaling by 1.45 V in vergelyking met OHA (Fig. 7a).Wat stabiliteit betref, het ons aanvaar dat HWO-50% C76 fisies stabiel is omdat die katalisator met 'n PVDF-binder gemeng is en dan op die koolstofdoekelektrodes toegedien is.In vergelyking met 50 mV vir UCC, het HWO-50% C76 'n piekverskuiwing van 44 mV getoon na 150 siklusse (degradasietempo 0.29 mV/siklus) (Figuur 7b).Dit is dalk nie 'n groot verskil nie, maar die kinetika van UCC-elektrodes is baie stadig en verswak met fietsry, veral vir rugreaksie.Alhoewel die omkeerbaarheid van TCC baie beter is as dié van UCC, is gevind dat TCC 'n groot piekverskuiwing van 73 mV het na 150 siklusse, wat kan wees as gevolg van die groot hoeveelheid chloor wat van sy oppervlak vrygestel word.Om te verseker dat die katalisator goed aan die elektrode-oppervlak heg.Soos gesien kan word op alle elektrodes wat getoets is, vertoon selfs dié sonder ondersteunde katalisators verskillende grade van fietsry-onstabiliteit, wat daarop dui dat veranderinge in piekskeiding tydens fietsry te wyte is aan materiaaldeaktivering as gevolg van chemiese veranderinge eerder as katalisatorskeiding.Ook, indien 'n groot hoeveelheid katalisatordeeltjies van die elektrode-oppervlak geskei sou word, sou dit lei tot 'n beduidende toename in piekskeiding (nie net met 44 mV nie), aangesien die substraat (UCC) relatief onaktief is vir die VO2+/VO2+ redoksreaksie.
Vergelyking van CV (a) en stabiliteit van die redoksreaksie VO2+/VO2+ (b) van die optimale elektrodemateriaal met betrekking tot CCC.In die elektroliet 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl is alle CV's gelyk aan ν = 5 mV/s.
Om die ekonomiese aantreklikheid van VRFB-tegnologie te verhoog, is die verbetering en begrip van die kinetika van die vanadiumredoksreaksie noodsaaklik om hoë energiedoeltreffendheid te bereik.Komposiete HWO-C76 is voorberei en hul elektrokatalitiese effek op die VO2+/VO2+ reaksie is bestudeer.HWO het min kinetiese verbetering getoon, maar het chloor-evolusie in gemengde suur elektroliete aansienlik onderdruk.Verskeie verhoudings van HWO:C76 is gebruik om die kinetika van HWO-gebaseerde elektrodes verder te optimaliseer.Die verhoging van die inhoud van C76 na HWO kan die elektronoordragkinetika van die VO2+/VO2+ reaksie op die gemodifiseerde elektrode verbeter, waaronder HWO-50% C76 die beste materiaal is omdat dit die ladingoordragweerstand verlaag en chloorgas evolusie verder onderdruk in vergelyking met C76.en TCC word vrygestel.Dit was as gevolg van die sinergistiese effek tussen C=C sp2 hibridisasie, OH en W-OH funksionele groepe.Die degradasietempo van HWO-50% C76 is gevind as 0.29mV/siklus onder meervoudige siklusse terwyl UCC en TCC onderskeidelik 0.33mV/siklus en 0.49mV/siklus is, wat dit baie stabiel maak in gemengde suurelektroliete.Die voorgestelde resultate identifiseer hoë werkverrigting elektrode materiale suksesvol vir die VO2+/VO2+ reaksie met vinnige kinetika en hoë stabiliteit.Dit sal die uitsetspanning verhoog en sodoende die kragdoeltreffendheid van die VRFB verbeter, en sodoende die koste van sy toekomstige kommersialisering verminder.
Die datastelle wat in die huidige studie gebruik en/of ontleed is, is op redelike versoek by die onderskeie outeurs beskikbaar.
Luderer G. et al.Skatting van wind- en sonkrag in globale laekoolstofenergiesenario's: 'n inleiding.Energie Ekonomie.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. en Kim, H. Ontleding van die effek van MnO2-neerslag op die prestasie van vanadium-mangaan-redoksvloeibatterye.J. Elektrochemie.samelewing.165(5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA en Walsh, FK Dinamiese eenheidselmodel vir 'n volvanadium redoksvloeibattery.J. Elektrochemie.samelewing.158(6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA, en Mench, MM 'n In-situ potensiaalverspreidingsmeting en verifikasiemodel vir 'n all-vanadium redoksvloeibattery.J. Elektrochemie.samelewing.163(1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. en Suzuki, T. Modellering en simulasie van 'n vanadiumredoksbattery met 'n interdigitale vloedveld om die elektrodestruktuur te optimaliseer.J. Elektrochemie.samelewing.167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. en Skillas-Kazakos, M. Modifikasie van grafietelektrodemateriale vir toepassing in vanadiumredoksbatterye – I. Hittebehandeling.elektrochemie.Acta 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H., en Chen, J. Vooruitgang in elektrodemateriaal om kragdigtheid in vanadiumvloeibatterye (VFB's) te verbeter.J. Energiechemie.27(5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al.Hoë doeltreffendheid vanadium redoksvloeisel met geoptimaliseerde elektrodekonfigurasie en membraankeuse.J. Elektrochemie.samelewing.159(8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., en Yang, K. Saamgestelde koolstof nanobuis katalisator elektrodes met koolstof vilt ondersteuning vir vanadium redoks battery toepassings.J. Kragtoevoer.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y., en Kwon, Y. Effek van bismutsulfaat wat op versuurde CNT'e neergelê is op die werkverrigting van vanadium redoksvloeibatterye.J. Elektrochemie.samelewing.166(12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.wag.Aktiewe elektrodes gemodifiseer met platinum/veelwandige koolstof nanobuise vir vanadium redoksvloeibatterye.J. Elektrochemie.samelewing.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Maar, S. et al.Die vanadium-redoksvloeibattery gebruik elektrokatalisators wat versier is met stikstof-gedoteerde koolstof-nanobuise wat van organometaal-steiers afkomstig is.J. Elektrochemie.samelewing.165(7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al.Grafeenoksied nanoplate as uitstekende elektrochemies aktiewe materiale vir VO2+/ en V2+/V3+ redokspare vir vanadium redoksvloeibatterye.Koolstof 49(2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z. et al.Uitstekende elektrochemiese werkverrigting van grafeen-gemodifiseerde grafietvilt vir vanadium redoksbatterye.J. Kragtoevoer.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. en Santamaria R. Koolstofnanowandfilms as nanogestruktureerde elektrodemateriaal in vanadiumredoksvloeibatterye.Nano Energy 1(6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J. en Yung H. Driedimensionele grafeen-gemodifiseerde mesoporiese koolstof vilt vir hoëprestasie vanadium redoksvloeibatterye.elektrochemie.Wet 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).
Postyd: 23 Februarie 2023