304 kapilýar turba, wolfram oksidi / Fullerene esaslanýan elektrokatalizatorlar we parazit VO2 + / VO2 + garyşyk kislotalardaky reaksiýalar hökmünde Nanokompozitler

Nature.com-a gireniňiz üçin sag boluň.Çäkli CSS goldawy bilen brauzer wersiýasyny ulanýarsyňyz.Iň oňat tejribe üçin täzelenen brauzeri ulanmagy maslahat berýäris (ýa-da Internet Explorer-de Gabat geliş tertibini öçüriň).Mundan başga-da, dowamly goldawy üpjün etmek üçin sahypany stil we JavaScript-de görkezýäris.
Birbada üç slaýdyň karuselini görkezýär.Bir gezekde üç slaýddan geçmek üçin Öňki we Indiki düwmelerini ulanyň ýa-da bir gezekde üç slaýddan geçmek üçin slaýder düwmelerini ulanyň.

Poslamaýan polat 304 rulon turbasynyň himiki düzümi

304 Poslamaýan polatdan ýasalan turba, austenit hrom-nikel garyndysynyň bir görnüşidir.Poslamaýan polat 304 rulon turbasynyň öndürijisine görä, onuň esasy düzüm bölegi Cr (17% -19%) we Ni (8% -10.5%).Poslama garşylygyny gowulandyrmak üçin az mukdarda Mn (2%) we Si (0.75%) bar.

Poslamaýan polat 304 rulon turbasynyň mehaniki aýratynlyklary

304 poslamaýan polatdan ýasalan turbanyň mehaniki aýratynlyklary aşakdakylar:

• Dartyş güýji: ≥515MPa
• Hasyl güýji: ≥205MPa
• Uzalmagy: ≥30%

Poslamaýan polatdan 304 rulon turbasynyň ulanylyşy we ulanylyşy

Wanadiý redoks akym batareýalarynyň (VRFB) has ýokary bahasy olaryň giňden ulanylmagyny çäklendirýär.Elektrokimiki reaksiýalaryň kinetikasy, VRFB-iň kuwwatynyň dykyzlygyny we energiýa netijeliligini ýokarlandyrmak, şeýlelik bilen VRFB-iň kWt bahasyny arzanlatmak üçin kämilleşdirilmelidir.Bu işde, C76 we C76 / HWO gidrotermiki sintezlenen wolfram oksidi (HWO) nanobölejikler uglerod mata elektrodlaryna goýuldy we VO2 + / VO2 + redoks reaksiýasy üçin elektrokatalizator hökmünde synag edildi.Meýdanyň zyňyndylaryny skanerleýän elektron mikroskopiýa (FESEM), energiýa dispersiýa rentgen spektroskopiýasy (EDX), ýokary çözgütli geçiriş elektron mikroskopiýasy (HR-TEM), rentgen difraksiýasy (XRD), rentgen fotoelektron spektroskopiýasy (XPS), infragyzyl Furyer Spektroskopiýany (FTIR) we kontakt burç ölçeglerini üýtgediň.C76 fullerene HWO-a goşulmagy, geçirijiligini ýokarlandyrmak we üstünde kislorod saklaýan funksional toparlar bilen üpjün etmek arkaly elektrodyň VO2 + / VO2 + redoks reaksiýasyna bolan kinetikasyny güýçlendirip biljekdigi ýüze çykaryldy.HWO / C76 birleşmesi (50 wt% C76), bejerilmedik uglerod mata (UCC) üçin 365 mV bilen deňeşdirilende ΔEp 176 mV bilen VO2 + / VO2 + reaksiýa üçin iň amatlydygyny subut etdi.Mundan başga-da, HWO / C76 birleşmesi, W-OH funksional toparlary sebäpli parazit hloryň ewolýusiýa reaksiýasynyň ep-esli päsgelçiligini görkezdi.
Güýçli adam işjeňligi we çalt senagat öwrülişigi, ýylda 3% töweregi ösýän elektrik toguna bolan islegiň artmagyna sebäp boldy1.Onýyllyklaryň dowamynda gazylyp alynýan ýangyçlaryň energiýa çeşmesi hökmünde giňden ulanylmagy parnik gazlarynyň zyňylmagyna, global ýylylygyň, suwuň we howanyň hapalanmagyna, tutuş ekosistemalara howp salmagyna sebäp boldy.Netijede, 2050-nji ýyla çenli arassa dikeldilýän energiýanyň we gün energiýasynyň paýy umumy elektrik energiýasynyň 75% -ine ýeter diýlip çaklanylýar.Şeýle-de bolsa, täzelenip bilýän energiýa önümçiligi umumy elektrik energiýasynyň 20% -inden ýokary bolsa, set durnuksyz bolýar. Netijeli energiýa saklaýyş ulgamlarynyň ösüşi bu geçiş üçin möhüm ähmiýete eýe, sebäbi artykmaç elektrik energiýasyny saklamaly we üpjünçilik we islegi deňleşdirmeli.
Gibrid vanadiý redoks akym batareýalary2 ýaly ähli energiýa saklaýyş ulgamlarynyň arasynda, ähli artykmaçlyklary sebäpli vanadiý redoks akym batareýalary (VRFB) iň ösen3 we uzak möhletli energiýa saklamak üçin iň oňat çözgüt hasaplanýar (~ 30 ýyl).Täzelenýän energiýa çeşmelerini ulanmak4.Munuň sebäbi güýç we energiýa dykyzlygynyň bölünmegi, çalt seslenme, uzak ömür we Li-ion we gurşun kislotasy batareýalary we 279-420 USD / kWt sagatda 93-140 / kWt sagatda deňeşdirilende 65 / kWt sagatda arzan bahasy./ kWt batareýalar degişlilikde 4.
Şeýle-de bolsa, olaryň giňden ýaýran täjirleşdirilmegi, esasanam batareýa paketleri sebäpli, has ýokary ulgam kapital çykdajylary sebäpli päsgelçilik döredýär.Şeýlelik bilen, iki ýarym öýjükli reaksiýanyň kinetikasyny köpeltmek arkaly batareýanyň işleýşini gowulandyrmak batareýanyň göwrümini azaldyp, çykdajylary azaldyp biler.Şol sebäpli, elektrodyň dizaýnyna, düzümine we gurluşyna baglylykda elektrodyň ýüzüne çalt elektron geçirmek zerurdyr, bu seresaplylyk bilen optimizirlenmeli.Uglerod esasly elektrodlaryň gowy himiki we elektrokimiki durnuklylygy we gowy elektrik geçirijiligi bar bolsa-da, bejerilmese, kislorod funksional toparlarynyň ýoklugy we gidrofililik7,8 sebäpli kinetikasy haýal bolar.Şonuň üçin dürli elektrokatalizatorlar, iki elektrodyň kinetikasyny gowulandyrmak we VRFB elektrodlarynyň kinetikasyny ýokarlandyrmak üçin uglerod elektrodlary, esasanam uglerod nanostrukturalary we metal oksidleri bilen birleşdirilýär.
Kömürturşy kagyzlary 9, uglerod nanoturgylary 10,11,12,13, grafen esasly nanostruktura 14,15,16,17, uglerod nanofiberleri18 we beýlekiler19,20,21,22,23 ýaly köp uglerod materiallary ulanyldy. .C76 boýunça ozalky gözlegimizde, bu fulleriň VO2 + / VO2 + -e bolan ajaýyp elektrokatalitiki işjeňligini ilkinji gezek habar berdik, ýylylyk bilen bejerilmedik we bejerilmedik uglerod mata bilen deňeşdirilende, zarýad beriş garşylygy 99,5% we 97% 24 azaldy.C76 bilen deňeşdirilende VO2 + / VO2 + reaksiýa üçin uglerod materiallarynyň katalitik öndürijiligi S1-nji tablisada görkezilýär.Beýleki tarapdan, CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 we WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 ýaly köp metal oksidleri çyglylygyň ýokarlanmagy we kislorodyň köp bolmagy sebäpli ulanylýar.toparlary.S2-nji tablisada bu metal oksidleriň VO2 + / VO2 + reaksiýasynda katalitik öndürijiligi görkezilýär.WO3 arzan bahasy, kislotaly mediýada ýokary durnuklylygy we ýokary katalitik işjeňligi sebäpli ep-esli eserde ulanyldy31,32,33,34,35,36,37,38.Şeýle-de bolsa, WO3 katod kinetikasynda azajyk gowulaşma görkezdi.WO3-iň geçirijiligini gowulandyrmak üçin, wolfram oksidini (W18O49) ulanmagyň polo positiveitel elektrod işjeňligine edýän täsiri synag edildi38.Gidratlanan wolfram oksidi (HWO) hiç wagt VRFB programmalarynda synagdan geçirilmedi, suwsuz WOx39,40 bilen deňeşdirilende has çalt kation diffuziýasy sebäpli superkapasitor programmalarynda has ýokary işjeňlik görkezdi.Üçünji nesil ähli vanadiý redoks akym batareýasy, batareýanyň işleýşini gowulandyrmak we elektrolitdäki vanadiý ionlarynyň erginligini we durnuklylygyny ýokarlandyrmak üçin HCl we H2SO4-den ybarat garyşyk kislota elektrolitini ulanýar.Şeýle-de bolsa, parazit hloryň ewolýusiýa reaksiýasy üçünji nesliň kemçiliklerinden birine öwrüldi, şonuň üçin hlora baha beriş reaksiýasyny basyp ýatyrmagyň ýollaryny tapmak birnäçe gözleg toparynyň wezipesine öwrüldi.
Bu ýerde, parazit hlor çökgünligini basyp ýatyrka, kompozitleriň elektrik geçirijiligi bilen elektrodyň üstündäki redoks reaksiýa kinetikasynyň arasynda deňagramlylygy tapmak üçin uglerod mata elektrodlaryna goýlan HWO / C76 kompozitlerinde VO2 + / VO2 + reaksiýa synaglary geçirildi.reaksiýa (KVR).Gidratlanan wolfram oksidi (HWO) nanopartikullary ýönekeý gidrotermiki usul bilen sintez edildi.Amatlylyk üçin üçünji nesil VRFB (G3) simulirlemek we HWO-nyň parazit hlor ewolýusiýa reaksiýasyna täsirini öwrenmek üçin garyşyk kislota elektrolitinde (H2SO4 / HCl) synaglar geçirildi.
Wanadiý (IV) sulfat oksid gidraty (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), kükürt kislotasy (H2SO4), gidroklor turşusy (HCl), dimetilformamid (DMF, Sigma-Aldrih), poliwiniliden ftorid (PVDF, Sigma-Aldrih), natriý Bu işde wolfram oksidi dihidraty (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrih) we gidrofil uglerod mata ELAT (ýangyç öýjük dükany) ulanyldy.
Gidratlanan wolfram oksidi (HWO) gidrotermiki reaksiýa bilen taýýarlandy, onda 2 g Na2WO4 duzy 12 ml HO-da reňksiz ergin alynýança eritildi, soň bolsa 12 ml 2 M HCl açyk sary togtama çenli aşaklygyna goşuldy. alyndy.togtatmak.Gidrotermiki reaksiýa Teflon bilen örtülen poslamaýan polat awtoklawda 180 ºC peçde 3 sagatlap geçirildi.Galyndy süzgüç bilen ýygnaldy, 3 gezek etanol we suw bilen ýuwuldy, 70 ° C peçde ~ 3 sagada guradyldy, soňra gök-çal HWO tozy almak üçin ýere öwrüldi.
Alnan (bejerilmedik) uglerod mata elektrodlary (CCT) alnan ýa-da turbada peçde 450 ° C-den 10 sagatda howada 15 ° C / min ýylylyk derejesinde ýylylyk bejergisine sezewar edildi. bejerilen UCC (TCC) alyň, öňki iş bilen deňeşdirilende 24. UCC we TCC takmynan 1,5 sm we uzynlygy 7 sm bolan elektrodlara kesildi.C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 we HWO-50% C76 süspansiýalary 20 mg aktiw material tozy we 10 wt% (~ 2.22 mg) PVDF baglaýjynyň ~ 1 ml-e goşulmagy bilen taýýarlandy. DMF birmeňzeşligi ýokarlandyrmak üçin 1 sagat taýýarlandy we sonikasiýa edildi.Soňra UCC işjeň elektrod meýdanynyň takmynan 1,5 sm2-sine 2 mg C76, HWO we HWO-C76 kompozitleri ulanyldy.Cathli katalizatorlar UCC elektrodlaryna ýüklendi we TCC diňe deňeşdirme maksatlary üçin ulanyldy, sebäbi öňki işimiz ýylylyk bejergisiniň 24 zerur däldigini görkezdi.Täsir galdyrmak, has birmeňzeşlik üçin 100 µl asma (2 mg ýük) ýuwmak arkaly gazanyldy.Soňra ähli elektrodlar 60 ° C-de bir gije peçde guradyldy.Elektrodlar aksiýanyň takyk ýüklenmegini üpjün etmek üçin öň we soň ölçenilýär.Belli bir geometrik meýdana (cm 1,5 sm2) eýe bolmak we kapilýar täsiri sebäpli vanadiý elektrolitiniň elektrodlara çykmagynyň öňüni almak üçin, işjeň materialyň üstünde inçejik kerosin gatlagy ulanyldy.
HWO ýerüsti morfologiýasyny synlamak üçin meýdan zyňyndylaryny gözleýän elektron mikroskop (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60.5 kV) ulanyldy.Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) bilen enjamlaşdyrylan energiýa dispersiýa rentgen spektroskopiýasy, UCC elektrodlarynda HWO-50% C76 elementlerini kartalaşdyrmak üçin ulanyldy.200 kW tizlenýän naprýa ateniýede işleýän ýokary çözgütli elektron mikroskop (HR-TEM, JOEL JEM-2100) HWO bölejikleriniň ýokary çözgütli şekillerini we difraksiýa halkalaryny almak üçin ulanyldy.“RingGUI” funksiýasyny ulanyp, HWO difraksiýa halkalaryny seljermek we netijeleri XRD modelleri bilen deňeşdirmek üçin “Crystallographic Tool Box” (CrysTBox) programma üpjünçiligini ulanyň.UCC we TCC-iň gurluşy we grafitizasiýasy, Panalytik rentgen diffraktometrini ulanyp, Cu Kα (λ = 1.54060 Å) bilen 5 ° 70 ° C aralygynda skaner tizliginde rentgen şöhlelenmesi (XRD) bilen kesgitlenildi.(Model 3600).XRD HWO-nyň kristal gurluşyny we fazalaryny görkezýär.“PANalytical X'Pert HighScore” programma üpjünçiligi, HWO piklerini maglumatlar bazasynda bar bolan wolfram oksidi kartalaryna gabat getirmek üçin ulanyldy45.HWO netijelerini TEM netijeleri bilen deňeşdiriň.HWO nusgalarynyň himiki düzümi we ýagdaýy rentgen fotoelektron spektroskopiýa bilen kesgitlenildi (XPS, ESCALAB 250Xi, TermoScientific).CASA-XPS programma üpjünçiligi (v 2.3.15) iň ýokary dekonwolýasiýa we maglumatlary derňemek üçin ulanyldy.HWO we HWO-50% C76 ýerüsti funksional toparlaryny kesgitlemek üçin “Furyer” infragyzyl spektroskopiýa (Perkin Elmer synpy KBr FTIR spektrometrini ulanyp) ölçegleri geçirildi.Netijeleri XPS netijeleri bilen deňeşdiriň.Kontakt burç ölçegleri (KRUSS DSA25) hem elektrodlaryň çyglylygyny häsiýetlendirmek üçin ulanyldy.
Electhli elektrokimiki ölçegler üçin Biologiki SP 300 iş stansiýasy ulanyldy.VO2 + / VO2 + redoks reaksiýasynyň elektrod kinetikasyny we reagent diffuziýasynyň (VOSO4 (VO2 +)) reaksiýa tizligini öwrenmek üçin siklik woltammetri (CV) we elektrohimiki impedans spektroskopiýasy (EIS) ulanyldy.Iki tehnologiýa hem 1 M H2SO4 + 1 M HCl (garyşyk kislota) erän 0,1 M VOSO4 (V4 +) elektrolit konsentrasiýasy bolan üç elektrodly öýjügi ulanýar.Berlen elektrokimiki maglumatlaryň hemmesi IR düzedildi.Salgy we hasaplaýjy elektrod hökmünde doýgun kalomel elektrod (SCE) we platina (Pt) rulon ulanyldy.CV üçin 5, 20 we 50 mV / s skaner nyrhlary potensial penjire (0–1) V ulanyldy, VO2 + / VO2 + üçin SCE bilen deňeşdirilende, soň SHE şkalasynda düzedildi (VSCE = 0.242) V HSE bilen deňeşdirilende).Elektrod işjeňliginiň saklanmagyny derňemek üçin UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO we UCC-HWO-50% C76 5 mV / s deň bolan CV gaýtadan işlemek geçirildi.VO2 + / VO2 + redoks reaksiýasy üçin EIS ölçegleri üçin 0.01-105 Hz ýygylyk diapazony we 10 mV açyk tok naprýa .eniýesi (OCV) bozulmagy ulanyldy.Netijeleriň yzygiderliligini üpjün etmek üçin her synag 2-3 gezek gaýtalandy.Geterogen nyrh yzygiderliligi (k0) Nikolson usuly 46,47 usuly bilen alyndy.
Gidratlanan wolfram oksidi (HVO) gidrotermiki usul bilen üstünlikli sintez edildi.Injirde SEM şekili.1a goýlan HWO-nyň 25–50 nm aralygyndaky bölejik ululyklary bolan nanopartikullaryň toparlaryndan ybaratdygyny görkezýär.
HWO-nyň rentgen difraksiýa nagşy, stoihiometrik WO2.63 (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21.4 Å,) degişlilikde .5 23.5 ° we .5 47.5 ° derejesinde iň ýokary derejeleri görkezýär (001) we (002). b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90 °), gök reňkine laýyk gelýär (1b surat) 48,49.Takmynan 20.5 °, 27.1 °, 28.1 °, 30.8 °, 35,7 °, 36,7 ° we 52,7 ° beýleki pikler (140), (620), (350), (720), (740), (560).we (970) difraksiýa uçarlary degişlilikde 49 ortorombiki WO2.63.Songara we ş.m.43, WO3 (H2O) 0.333 barlygy bilen baglanyşykly ak önüm almak üçin şol bir sintetiki usuly ulandy.Şeýle-de bolsa, bu işde dürli şertler sebäpli WO3 (H2O) 0.333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7.7) bilelikde ýaşandygyny görkezýän gök-çal önüm alyndy. , α = β = γ = 90 °) we wolfram oksidiniň azalýan görnüşi.X'Pert HighScore programma üpjünçiligi bilen ýarym derňew 26% WO3 (H2O) 0.333: 74% W32O84 görkezdi.W32O84 W6 + we W4 + (1.67: 1 W6 +: W4 +) -den ybarat bolany üçin, W6 + we W4 + çak edilýän mazmuny degişlilikde 72% W6 + we 28% W4 +.Öňki kagyzymyzda SEM şekilleri, ýadro derejesinde 1 sekuntlyk XPS spektrleri, TEM şekilleri, FTIR spektrleri we C76 bölejikleriniň Raman spektrleri görkezildi24.Kawada we başg.
Injirde SEM şekilleri.2a we b HWO we HWO-50% C76-nyň UCC elektrodlarynyň uglerod süýümleriniň üstünde we arasynda üstünlikli çökmegini görkezýär.2c-nji suratda SEM şekilindäki wolframyň, uglerodyň we kislorodyň elementar kartasy injirde görkezilýär.Volfram bilen uglerodyň elektrodyň üstünde birmeňzeş garylandygyny (şuňa meňzeş paýlanyşy görkezýär) we birleşmäniň deň derejede goýulmaýandygyny görkezýär.ýagyş usulynyň tebigaty sebäpli.
Goýlan HWO bölejikleriniň (a) we HWO-C76 bölejikleriniň (b) SEM şekilleri.UW-da HWO-C76-a ýüklenen EDX kartalaşdyryş, nusgadaky wolfram (d), uglerod (e) we kislorod (f) paýlanyşyny görkezýär.
HR-TEM ýokary ulaltma şekillendiriş we kristalografiki maglumatlar üçin ulanyldy (3-nji surat).HWO, 3a suratda görkezilişi ýaly we 3b suratda has aýdyň nanokube morfologiýasyny görkezýär.Saýlanan meýdanyň difraksiýasy üçin nanokube ulaltmak bilen, Braggyň kanunyny kanagatlandyrýan örtük gurluşy we difraksiýa uçarlary, materialyň kristallygyny tassyklaýan 3c-nji suratda görkezilişi ýaly şekillendirilip bilner.3c-nji suratdaky ýazgyda, WO3 (H2O) 0.333 we W32O84, 43, 44, 49 fazalarda (022) we (620) difraksiýa uçarlaryna gabat gelýän d 3,3 distance aralyk görkezilýär.Bu ýokardaky XRD derňewine (1-nji surat) laýyk gelýär, sebäbi synlanan gözenek tekizliginiň aralygy d (3-nji surat) HWO nusgasyndaky iň güýçli XRD derejesine laýyk gelýär.Nusga halkalary injirde hem görkezilýär.3d, bu ýerde her halka aýratyn tekizlige gabat gelýär.WO3 (H2O) 0.333 we W32O84 uçarlary degişlilikde ak we gök reňkde bolýar we degişli XRD pikleri hem 1b suratda görkezilýär.Halkanyň nagşynda görkezilen ilkinji halka, (022) ýa-da (620) difraksiýa tekizliginiň rentgen nagyşynda ilkinji bellenen pikire gabat gelýär.(022) -den (402) halkalara çenli, 3.30, 3.17, 2 .45, 1.93 we 1.66 XRD bahalaryna laýyk gelýän 3.30, 3.17, 2.38, 1.93 we 1.69 Å aralyklar tapyldy.Å, 44, 45
(a) HWO-nyň HR-TEM şekili, (b) ulaldylan şekili görkezýär.Panel uçarlarynyň şekilleri (c), inset (c) uçarlaryň ulaldylan şekilini we (002) we (620) uçarlara gabat gelýän 0,33 nm aralygy görkezýär.(d) WO3 (H2O) 0.333 (ak) we W32O84 (gök) fazalary bilen baglanyşykly uçarlary görkezýän HWO halka nagşy.
Volframyň ýerüsti himiýasyny we okislenme ýagdaýyny kesgitlemek üçin XPS derňewi geçirildi (S1 we 4-nji suratlar).Sintezlenen HWO-nyň giň gerimli XPS skaneriniň spektri suratda görkezilýär.Volframyň bardygyny görkezýän S1.Esasy W 4f we O 1s derejeleriniň XPS dar skaner spektrleri, suratlarda görkezilýär.Degişlilikde 4a we b.W. 4f5 / 2 we W 4f7 / 2, 36.6 we 34.9 eV degişlilikde W4 + ýagdaýyna mahsusdyr.Okislenme ýagdaýynyň (W4 +) bolmagy, stoiometrik däl WO2.63-iň emele gelmegini hasam tassyklaýar, W6 + -yň bolmagy WO3 (H2O) 0.333 sebäpli stoiometrik WO3 görkezýär.Gurnalan maglumatlar, iki tehnologiýanyň arasyndaky tapawudy göz öňünde tutup, XRD maglumatlaryndan çak edilýän bahalara has ýakyn bolan W6 + we W4 + atom göterimleriniň degişlilikde 85% we 15% bolandygyny görkezdi.Iki usul hem mukdar maglumatlary pes takyklyk bilen üpjün edýär, esasanam XRD.Mundan başga-da, iki usul materialyň dürli böleklerini derňeýär, sebäbi XRD köp usul, XPS bolsa birnäçe nanometre ýakynlaşýan ýerüsti usul.O 1s spektri 533 (22.2%) we 530,4 eV (77,8%) derejesinde iki pikire bölünýär.Birinjisi OH, ikinjisi WO-daky paneldäki kislorod baglanyşyklaryna gabat gelýär.OH funksional toparlarynyň bolmagy HWO-nyň gidrasiýa häsiýetlerine laýyk gelýär.
Şeýle hem gidratlanan HWO gurluşynda işleýän toparlaryň we utgaşdyrylan suw molekulalarynyň bardygyny barlamak üçin bu iki nusgada FTIR derňewi geçirildi.Netijeler HWO-50% C76 nusgasy we FT-IR HWO netijeleriniň HWO-nyň bolmagy sebäpli birmeňzeşdigini görkezýär, ýöne derňewlere taýýarlyk görlende ulanylýan dürli mukdarda nusgalar sebäpli pikleriň intensiwligi tapawutlanýar (5a surat) ).HWO-50% C76 Volfram oksidiniň iň ýokary derejesinden başga ähli has doly 24 pik görkezilýär.Injirde jikme-jik5a, iki nusgada-da HWO panjarasynyň gurluşynda OWO uzalýan yrgyldylara we WO bilen baglanyşykly 40 840 / sm güýçli egnine ~ 710 / sm-de gaty güýçli giň zolagy görkezýändigini görkezýär.10 1610 / sm-de ýiti zolak OH-nyň egilme titremesi bilen, 00 3400 / sm giň siňdiriş zolagy bolsa gidroksil toparyndaky OH-nyň uzalmagy bilen baglanyşyklydyr.Bu netijeler, 4O-njy suratdaky XPS spektrine laýyk gelýär, bu ýerde WO funksional topary VO2 + / VO2 + reaksiýasy üçin işjeň saýtlary üpjün edip biler.
HWO we HWO-50% C76 (a) FTIR derňewi, funksional toparlary we kontakt burç ölçeglerini görkezýär (b, c).
OH topary, şeýle hem, VO2 + / VO2 + reaksiýasyny katalizläp biler, şeýlelik bilen elektrodyň gidrofilligini ýokarlandyryp, diffuziýa we elektron geçiriş tizligini ýokarlandyryp biler.HWO-50% C76 nusgasy, suratda görkezilişi ýaly goşmaça C76 pikini görkezýär.0 2905, 2375, 1705, 1607 we 1445 sm3 aralygyndaky pikler degişlilikde CH, O = C = O, C = O, C = C we CO uzalýan yrgyldylara bellenip bilner.Kislorodyň funksional toparlary C = O we CO vanadiniň redoks reaksiýalary üçin işjeň merkez bolup hyzmat edip biljekdigi mälimdir.Iki elektrodyň çyglylygyny barlamak we deňeşdirmek üçin 5b, c suratda görkezilişi ýaly kontakt burç ölçegleri ulanyldy.HWO elektrody, bar bolan OH funksional toparlary sebäpli superhidrofilligi görkezýän suw damjalaryny derrew siňdirýär.HWO-50% C76 has gidrofobiki, kontakt burçy takmynan 10 ° 10 sekuntdan soň.Şeýle-de bolsa, elektrokimiki ölçeglerde HWO-50% C76 elektrody bir minudyň içinde doly çyglandy.Çyglylygyň ölçegleri, XPS we FTIR netijelerine laýyk gelýär, HWO üstündäki has köp OH toparynyň ony has gidrofil edýändigini görkezýär.
HWO we HWO-C76 nanokompozitleriň VO2 + / VO2 + reaksiýalary synagdan geçirildi we HWO-nyň garyşyk kislotalarda VO2 + / VO2 + reaksiýalary wagtynda ýüze çykýan hlor gazynyň ewolýusiýasyny basyp ýatyrmagyna garaşylýar, C76 bolsa islenýän VO2 + / VO2 + hasam katalizlener.10%, 30% we 50% C76 bolan HWO süspansiýalary, umumy agramy 2 mg / sm2 bolan UCC elektrodlaryna ulanyldy.
Injirde görkezilişi ýaly.6, elektrodyň üstündäki VO2 + / VO2 + reaksiýanyň kinetikasy garyşyk kislotaly elektrolitlerde CV ulanyp barlandy.ΔEp we Ipa / Ipc deňeşdirmegi aňsatlaşdyrmak üçin toklar I / Ipa görnüşinde görkezilýär.Suratdan göni katalizatorlar alynýar.Häzirki sebit bölüminiň maglumatlary 2S suratda görkezilýär.Injirde.6a suratda HWO-nyň elektrodyň üstündäki VO2 + / VO2 + redoks reaksiýasynyň elektron geçiriş tizligini birneme ýokarlandyrýandygy we parazit hlor ewolýusiýasynyň basyşyny basýandygy görkezilýär.Şeýle-de bolsa, C76 elektronyň geçiriş tizligini ep-esli ýokarlandyrýar we hloryň ewolýusiýa reaksiýasyny katalizleýär.Şonuň üçin HWO we C76 dogry düzümi bolan toplum iň oňat işjeňlige we hlor reaksiýasyny saklamak üçin iň ýokary ukybyna eýe bolmalydyr.C76 mazmuny köpelenden soň, ΔEp-iň peselmegi we Ipa / Ipc gatnaşygynyň ýokarlanmagy (S3 Tablisa) elektrodyň himiki işjeňliginiň gowulaşandygy ýüze çykaryldy.Muny 6d-njy suratda (S3 tablisa) Nyquist sýu plotetinden alnan RCT bahalary hem tassyklady, bu ýerde C76 mazmunynyň artmagy bilen RCT bahalarynyň peselendigi anyklandy.Bu netijeler, mezoporoz uglerodyň mezoporoz WO3-e goşulmagy VO2 + / VO2 + 35-de zarýad geçiriş kinetikasyny gowulandyran Li-iň gözlegine laýyk gelýär.Bu, oňyn reaksiýanyň elektrodyň (C = C baglanyşygy) 18,24,35,36,37 geçirijiligine has köp bagly bolup biljekdigini görkezýär.[VO (H2O) 5] 2+ bilen [VO2 (H2O) 4] + arasyndaky koordinasiýa geometriýasynyň üýtgemegi sebäpli, C76 dokumanyň energiýasyny azaltmak arkaly jogap çägini azaldyp biler.Şeýle-de bolsa, HWO elektrodlary bilen bu mümkin däl bolup biler.
)(b) Randles-Sewçik we (c) Nikolsonyň diffuziýa netijeliligini bahalandyrmak we k0 bahalaryny (d) almak üçin VO2 + / VO2 + usuly.
Diňe HWO-50% C76, VO2 + / VO2 + reaksiýasy üçin C76 bilen birmeňzeş elektrokatalitiki işjeňligi görkezmek bilen çäklenmän, has gyzyklysy, suratda görkezilişi ýaly hlor gazynyň ewolýusiýasyny goşmaça basyp ýatyrdy.6a, injirde kiçi ýarym tegelegi görkezmekden başga.6g (aşaky RCT).C76, HWO-50% C76 (S3 Tablisa) -dan has ýokary görünýän Ipa / Ipc görkezdi, reaksiýanyň tersine bolmagy sebäpli däl-de, SHE bilen deňeşdirilende 1,2 V derejesinde hloryň peselmeginiň iň ýokary derejesi bilen gabat gelmegi sebäpli.HWO-50% C76-nyň iň oňat öndürijiligi, otrisatel zarýadly ýokary geçirijilikli C76 bilen HWO-da W-OH-nyň ýokary çyglylygy we katalitik funksiýalarynyň arasyndaky sinergiýa bilen baglanyşyklydyr.Az hlor goýberilmegi doly öýjügiň zarýad beriş netijeliligini ýokarlandyrsa-da, gowulaşan kinetika doly öýjük naprýa .eniýesiniň netijeliligini ýokarlandyrar.
S1 deňlemesine görä, diffuziýa bilen dolandyrylýan kwazi-tersine (has haýal elektron geçiriş) reaksiýasy üçin iň ýokary tok (IP) elektronlaryň (n), elektrod meýdanynyň (A), diffuziýa koeffisiýentiniň (D), sanyna baglydyr elektronlaryň koeffisiýenti (α) we skaner tizligi (ν).Synag materiallarynyň diffuziýa gözegçilik edilýän özüni alyp barşyny öwrenmek üçin IP bilen ν1 / 2 arasyndaky baglanyşyk meýilleşdirildi we 6b suratda görkezildi.Materialshli materiallar çyzykly gatnaşygy görkezýändigi sebäpli, reaksiýa diffuziýa bilen dolandyrylýar.VO2 + / VO2 + reaksiýa kwazi tersine bolup bilýänligi sebäpli, çyzygyň ýapgytlygy diffuziýa koeffisiýentine we α bahasyna (S1 deňleme) baglydyr.Üznüksiz diffuziýa koeffisiýenti (≈ 4 × 10–6 sm2 / s) 52 sebäpli, çyzyk eňňidindäki tapawut α dürli bahalaryny gönüden-göni görkezýär we şonuň üçin C76 we HWO -50 bilen elektrodyň ýüzüne elektron geçirişiniň dürli nyrhlaryny görkezýär. Iň eňňitleri görkezýän% C76 (iň ýokary elektron geçiriş tizligi).
S3 tablisada görkezilen (6d-nji surat) hasaplanan pes ýygylykly Warburg eňňitleri (W 6) ähli materiallar üçin 1-e ýakyn bahalara eýe bolup, redoks bölejikleriniň ajaýyp ýaýramagyny görkezýär we IP üçin CV üçin ν1 / 2 bilen çyzykly hereketini tassyklaýar.ölçegler.HWO-50% C76 üçin Warburg eňňidi agzybirlikden 1,32-e sowulýar we diňe bir reaktiwleriň ýarym çäksiz ýaýramagyndan (VO2 +) däl-de, eýsem elektrod gözenekliligi sebäpli diffuziýa hereketinde inçe gatlakly hereketi teklip edýär.
VO2 + / VO2 + redoks reaksiýasynyň tersine (elektron geçiriş tizligi) has giňişleýin seljermek üçin, adaty nyrh hemişelik k041.42 kesgitlemek üçin Nikolson kwaz-tersine reaksiýa usuly hem ulanyldy.Bu, ölçegsiz kinetiki parametr Ψ S2 deňlemesini ulanyp, ΔEp funksiýasy hökmünde ΔEp funksiýasy hökmünde meýilleşdirilýär.S4-nji tablisada her elektrod materialy üçin emele gelen Ψ bahalar görkezilýär.K0 × 104 sm / s (her hataryň gapdalynda ýazylan we S4 tablisada görkezilen) almak üçin netijeleri meýilleşdiriň (6c surat), her bir meýdanyň eňegi üçin S3 deňlemesini ulanyp.HWO-50% C76 iň beýik eňňidiň (6-njy surat) we şonuň üçin iň ýokary k0 bahasynyň 2,47 × 10–4 sm / s bolandygy anyklandy.Bu, bu elektrodyň 6a we d suratlardaky we S3 tablisadaky CV we EIS netijelerine laýyk gelýän iň çalt kinetikany üpjün edýändigini aňladýar.Mundan başga-da, k0 bahalary RCT bahalaryny (S3 tablisa) ulanyp, S4 deňlemäniň Nyquist ýerlerinden (6d surat) alyndy.EIS-den alnan bu k0 netijeler S4 tablisada jemlenendir we sinergistik täsiri sebäpli HWO-50% C76 iň ýokary elektron geçiriş tizligini görkezýändigini görkezýär.K0-nyň bahasy her usulyň dürli gelip çykyşy sebäpli tapawutlanýan hem bolsa, şol bir ululyk tertibini görkezýär we yzygiderliligi görkezýär.
Achievedetip boljak ajaýyp kinetikalara doly düşünmek üçin optimal elektrod materialyny izolýasiýa edilmedik UCC we TCC elektrodlary bilen deňeşdirmek möhümdir.VO2 + / VO2 + reaksiýasy üçin HWO-C76 diňe bir iň pes ΔEp we has oňat tersligi görkezmän, eýsem OHA-ny görmek bilen deňeşdirilende 1,45 V-de ep-esli azalma görkezilişi ýaly, TCC bilen deňeşdirilende parazit hlor ewolýusiýa reaksiýasyny ep-esli basyp ýatyrdy (Surat). 7a).Durnuklylyk nukdaýnazaryndan HWO-50% C76 fiziki taýdan durnukly diýip çakladyk, sebäbi katalizator PVDF baglaýjy bilen garylyp, soňra uglerod mata elektrodlaryna ulanyldy.UCC üçin 50 mV bilen deňeşdirilende, HWO-50% C76, 150 siklden soň (degradasiýa derejesi 0,29 mV / sikl) 44 mV iň ýokary üýtgemäni görkezdi (7b surat).Uly tapawut bolup bilmez, ýöne UCC elektrodlarynyň kinetikasy gaty haýal we tigir sürmek bilen peselýär, esasanam arka reaksiýasy üçin.TCC-iň tersine öwrülişigi UCC-den has gowy bolsa-da, TCC-iň 150 aýlawdan soň 73 mV-de uly pik üýtgemesi barlygy ýüze çykaryldy, bu onuň ýüzünden çykan hloryň köp bolmagy sebäpli bolup biler.Katalizatoryň elektrodyň ýüzüne gowy ýapyşmagyny üpjün etmek.Synag edilen ähli elektrodlarda görşümiz ýaly, hatda goldanýan katalizatorlary bolmadyklar hem tigir sürmekde durnuksyzlygyň dürli derejelerini görkezýärler, welosiped sürmekde iň ýokary bölünişigiň üýtgemeginiň katalizatoryň bölünmegi däl-de, himiki üýtgemeler sebäpli maddy deaktiwasiýa sebäpli bolýandygyny görkezýär.Mundan başga-da, köp mukdarda katalizator bölejikleri elektrodyň üstünden bölünmeli bolsa, bu iň ýokary bölünişigiň ep-esli ýokarlanmagyna getirer (diňe 44 mV däl), sebäbi substrat (UCC) VO2 + / VO2 + üçin hereketsizdir. redoks reaksiýasy.
CV (a) we iň amatly elektrod materialynyň CCC babatynda redoks reaksiýasynyň durnuklylygy VO2 + / VO2 + (b) deňeşdirmek.Elektrolitde 0,1 M VOSO4 / 1 M H2SO4 + 1 M HCl, ähli CV-ler ν = 5 mV / s deňdir.
VRFB tehnologiýasynyň ykdysady özüne çekijiligini ýokarlandyrmak üçin, ýokary energiýa netijeliligini gazanmak üçin vanadiý redoks reaksiýasynyň kinetikasyny gowulaşdyrmak we düşünmek möhümdir.Kompozitler HWO-C76 taýýarlandy we olaryň VO2 + / VO2 + reaksiýasyna elektrokatalitik täsiri öwrenildi.HWO kinetiki ösüşi az görkezdi, ýöne garyşyk kislotaly elektrolitlerde hloryň ewolýusiýasyny ep-esli basyp ýatyrdy.HWO-nyň dürli gatnaşygy: HWO esasly elektrodlaryň kinetikasyny hasam optimizirlemek üçin ulanyldy.C76-nyň mazmunyny HWO-a köpeltmek, üýtgedilen elektrodda VO2 + / VO2 + reaksiýasynyň elektron geçiriş kinetikasyny gowulaşdyryp biler, şolaryň arasynda HWO-50% C76 iň oňat materialdyr, sebäbi zarýad geçiriş garşylygyny peseldýär we hlor gazynyň ewolýusiýasyny basyp ýatyrýar C76.we TCC boşadyldy.Bu, C = C sp2 gibridizasiýa, OH we W-OH funksional toparlarynyň arasyndaky sinergistik täsir bilen baglanyşyklydy.Birnäçe tigir sürmekde HWO-50% C76-nyň zaýalanma derejesi 0,29 mV / sikl, UCC we TCC degişlilikde 0.33mV / sikl we 0.49mV / sikl bolup, garyşyk kislota elektrolitlerinde gaty durnukly bolýar.Berlen netijeler, çalt kinetika we ýokary durnuklylyk bilen VO2 + / VO2 + reaksiýasy üçin ýokary öndürijilikli elektrod materiallaryny üstünlikli kesgitleýär.Bu çykyş naprýa .eniýesini ýokarlandyrar we şeýlelik bilen VRFB-iň kuwwatynyň netijeliligini ýokarlandyrar we şeýlelik bilen geljekdäki kommersializasiýa çykdajylaryny azaldar.
Häzirki gözlegde ulanylan we / ýa-da derňelýän maglumatlar bazalary degişli haýyş bilen degişli awtorlardan elýeterlidir.
Luderer G. we ş.m.Global pes uglerodly energiýa ssenarilerinde ýel we gün güýjüni bahalandyrmak: Giriş.Energetika Ykdysadyýeti.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Li, HJ, Park, S. we Kim, H. MnO2 çöketliginiň vanadiý marganes redoks akkumulýatorlarynyň işleýşine edýän täsiriniň derňewi.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.165 (5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Şah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA we Walsh, ähli vanadiý redoks akkumulýatory üçin FK Dynamic unit öýjük modeli.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.158 (6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA we Mench, MM -hli vanadiý redoks akkumulýatory üçin in-situ potensial paýlanyş ölçeg we barlamak modeli.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.163 (1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. we Suzuki, T. Elektrodyň gurluşyny optimizirlemek üçin biri-birine bagly akym meýdany bilen vanadiý redoks batareýasyny modellemek we simulýasiýa etmek.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.167 (2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Gün, B. we Skillas-Kazakos, M. Vanadiý Redoks batareýalarynda ulanmak üçin grafit elektrod materiallarynyň üýtgemegi - I. atylylygy bejermek.elektrohimiýa.Acta 37 (7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H. we Chen, J. Wanadiý akym batareýalarynda (VFB) güýç dykyzlygyny ýokarlandyrmak üçin elektrod materiallarynda öňe gidişlik.J. Energetika Himiýasy.27 (5), 1292-1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH we ş.m.Optimal elektrod konfigurasiýasy we membranany saýlamak bilen ýokary netijelilik vanadiý redoks akym öýjügi.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.159 (8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J. we Yangang, K. Uglerodly birleşýän uglerod nanotube katalizator elektrodlary, vanadiý redoks batareýasynyň ulanylmagyny goldaýar.J. Elektrik üpjünçiligi.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Aý, S., Kwon, BV, Çang, Y .. We Kwon, Y. Kislotaly CNT-lerde goýlan bismut sulfatynyň vanadiý redoks akym batareýalarynyň işleýşine täsiri.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.166 (12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.garaşWanadiý redoks akkumulýatorlary üçin platina / köp diwarly uglerod nanoturbajyklary bilen üýtgedilen işjeň elektrodlar.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.159 (10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Emma, ​​S. we başgalar.Wanadiý redoks akym batareýasy, organometall skaflaryndan alnan azot bilen örtülen uglerod nanoturbajyklary bilen bezelen elektrokatalizatorlary ulanýar.J. Elektrokimiýa.jemgyýet.165 (7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Han, P. we ş.m.Vanad redoks akym batareýalary üçin VO2 + / we V2 + / V3 + redoks jübütleri üçin ajaýyp elektrohimiki işjeň material hökmünde grafen oksidi nanosheetleri.Uglerod 49 (2), 693-700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z. we ş.m.Wanadiý redoks batareýalary üçin grafen üýtgedilen grafitiň ajaýyp elektrohimiki öndürijiligi.J. Elektrik üpjünçiligi.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Wizirianu S., Dinescu G., Blanco S. we Santamaria R. Wanadiý redoks akkumulýatorlarynda nanostrukturaly elektrod materiallary hökmünde uglerod nanowall filmleri.Nano Energy 1 (6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Li J. we ungung H. -okary öndürijilikli vanadiý redoks akym batareýalary üçin üç ölçegli grafen üýtgedilen mezopor uglerod.elektrohimiýa.135276-njy Kanun 330. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).