Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Egyszerre három diából álló körhinta jeleníti meg.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
Rozsdamentes acél 304 tekercscső kémiai összetétele
A 304 rozsdamentes acél tekercscső egyfajta ausztenites króm-nikkel ötvözet.A Stainless Steel 304 Coil Tube Manufacturer szerint a fő összetevő a Cr (17%-19%) és a Ni (8%-10,5%).A korrózióval szembeni ellenállás javítása érdekében kis mennyiségű Mn (2%) és Si (0,75%) van benne.
| Fokozat | Króm | Nikkel | Szén | Magnézium | Molibdén | Szilícium | Foszfor | kén |
| 304 | 18-20 | 8-11 | 0,08 | 2 | - | 1 | 0,045 | 0,030 |
Rozsdamentes acél 304 tekercscső mechanikai tulajdonságai
A 304-es rozsdamentes acél tekercscső mechanikai tulajdonságai a következők:
- Szakítószilárdság: ≥515MPa
- Folyáshatár: ≥205 MPa
- Megnyúlás: ≥30%
| Anyag | Hőfok | Szakítószilárdság | Folyáshatár | Megnyúlás |
| 304 | 1900 | 75 | 30 | 35 |
A rozsdamentes acél 304 tekercscső alkalmazásai és felhasználási területei
A vanádium redox flow akkumulátorok (VRFB) viszonylag magas ára korlátozza széles körű alkalmazásukat.Az elektrokémiai reakciók kinetikáját javítani kell a VRFB teljesítménysűrűségének és energiahatékonyságának növelése érdekében, ezáltal csökkentve a VRFB kWh költségét.Ebben a munkában hidrotermálisan szintetizált hidratált volfrám-oxid (HWO) nanorészecskéket, a C76 és C76/HWO szénszövet elektródákra vitték fel, és elektrokatalizátorként tesztelték a VO2+/VO2+ redox reakcióhoz.Mezőemissziós pásztázó elektronmikroszkópia (FESEM), energiadiszperzív röntgenspektroszkópia (EDX), nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkópia (HR-TEM), röntgendiffrakció (XRD), röntgen fotoelektron spektroszkópia (XPS), infravörös Fourier transzformációs spektroszkópia (FTIR) és érintkezési szögmérés.Megállapítást nyert, hogy a C76 fullerén HWO-hoz való hozzáadása javíthatja az elektróda kinetikáját a VO2+/VO2+ redox reakció tekintetében azáltal, hogy növeli a vezetőképességet és oxigéntartalmú funkciós csoportokat biztosít a felületén.A HWO/C76 kompozit (50 tömeg% C76) bizonyult a legalkalmasabbnak a VO2+/VO2+ reakcióhoz 176 mV ΔEp mellett, szemben a kezeletlen szénszövet (UCC) 365 mV-tal.Ezenkívül a HWO/C76 kompozit szignifikánsan gátolta a parazita klórfejlődési reakciót a W-OH funkciós csoportok miatt.
Az intenzív emberi tevékenység és a gyors ipari forradalom megállíthatatlanul magas villamosenergia-igényhez vezetett, amely évente körülbelül 3%-kal növekszik1.A fosszilis tüzelőanyagok energiaforrásként való széleskörű használata évtizedek óta üvegházhatású gázok kibocsátásához vezetett, ami globális felmelegedéshez, víz- és levegőszennyezéshez vezetett, és egész ökoszisztémákat fenyeget.Ennek eredményeként az előrejelzések szerint 2050-re a tiszta megújuló energia és a napenergia részaránya eléri a teljes villamos energia 75%-át1.Amikor azonban a megújuló energiatermelés meghaladja a teljes villamosenergia-termelés 20%-át, a hálózat instabillá válik.
Az összes energiatároló rendszer közül, mint például a hibrid vanádium redox áramlási akkumulátorok2, az összes vanádium redox áramlási akkumulátor (VRFB) a legfejlettebb számos előnye miatt3, és a legjobb megoldásnak tartják a hosszú távú energiatároláshoz (~30 év).Megújuló energiaforrások felhasználása4.Ennek oka a teljesítmény és az energiasűrűség szétválása, a gyors reagálás, a hosszú élettartam és a viszonylag alacsony, 65 dollár/kWh éves költség, szemben a Li-ion és ólom-savas akkumulátorok 93-140 dollár/kWh, illetve 279-420 dollár/kWh közötti költségével./kWh akkumulátorok, illetve 4.
Széleskörű kereskedelmi forgalomba hozatalukat azonban továbbra is akadályozzák a rendszer viszonylag magas tőkeköltségei, főként az akkumulátorcsomagok miatt4,5.Így az akkumulátor teljesítményének javítása a két félcellás reakció kinetikájának növelésével csökkentheti az akkumulátor méretét, és ezáltal csökkentheti a költségeket.Ezért az elektróda kialakításától, összetételétől és szerkezetétől függően gyors elektronátvitelre van szükség az elektróda felületére, amelyet gondosan optimalizálni kell.Bár a szénalapú elektródák jó kémiai és elektrokémiai stabilitással és jó elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, ha nem kezelik, kinetikája lassú lesz az oxigén funkciós csoportok hiánya és a hidrofilitás miatt7,8.Ezért különféle elektrokatalizátorokat kombinálnak szénelektródákkal, különösen szén nanostruktúrákkal és fémoxidokkal, hogy javítsák mindkét elektróda kinetikáját, ezáltal növelve a VRFB elektródák kinetikáját.
Számos szénanyagot használtak, például szénpapírt9, szén nanocsöveket10,11,12,13, grafén alapú nanostruktúrákat14,15,16,17, szén nanoszálakat18 és másokat19,20,21,22,23, kivéve a fullerén családot. .Korábbi, C76-on végzett vizsgálatunkban először számoltunk be ennek a fullerénnek a kiváló elektrokatalitikus aktivitásáról a VO2+/VO2+ irányában, a hőkezelt és kezeletlen szénszövethez képest a töltésátviteli ellenállás 99,5%-kal és 97%-kal csökkent24.A szénanyagok katalitikus teljesítményét a VO2+/VO2+ reakcióban a C76-hoz képest az S1 táblázat mutatja.Másrészt sok fém-oxidot, például CeO225-t, ZrO226-ot, MoO327-et, NiO28-at, SnO229-et, Cr2O330-at és WO331-et, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 használnak megnövekedett nedvesíthetőségük és magas oxigéntartalmuk miatt.csoportok.Az S2 táblázat bemutatja ezen fém-oxidok katalitikus teljesítményét a VO2+/VO2+ reakcióban.A WO3-at jelentős számú munkában alkalmazták alacsony költsége, savas közegben való nagy stabilitása és nagy katalitikus aktivitása miatt31,32,33,34,35,36,37,38.A WO3 azonban csekély javulást mutatott a katódok kinetikájában.A WO3 vezetőképességének javítása érdekében a redukált volfrám-oxid (W18O49) pozitív elektródaktivitásra gyakorolt hatását tesztelték38.A hidratált volfrám-oxidot (HWO) soha nem tesztelték VRFB alkalmazásokban, bár nagyobb aktivitást mutatott szuperkondenzátoros alkalmazásokban a gyorsabb kationdiffúzió miatt, mint a vízmentes WOx39,40.A harmadik generációs, teljesen vanádium redox áramlási akkumulátor HCl-ből és H2SO4-ből álló vegyes savas elektrolitot használ, hogy javítsa az akkumulátor teljesítményét és javítsa a vanádium ionok oldhatóságát és stabilitását az elektrolitban.A parazita klórfejlődési reakció azonban a harmadik generáció egyik hátrányává vált, így a klórkiértékelési reakció visszaszorításának módjainak keresése több kutatócsoport feladatává vált.
Itt VO2+/VO2+ reakcióteszteket végeztünk szénszövet elektródákra felvitt HWO/C76 kompozitokon, hogy megtaláljuk az egyensúlyt a kompozitok elektromos vezetőképessége és az elektróda felületén kialakuló redoxreakció kinetikája között, miközben megakadályozzuk a parazita klórlerakódást.reakció (KVR).A hidratált volfrám-oxid (HWO) nanorészecskéket egyszerű hidrotermális módszerrel állítottuk elő.Kísérleteket végeztünk kevert savas elektrolitban (H2SO4/HCl) a harmadik generációs VRFB (G3) szimulálására a kényelem kedvéért, és a HWO hatásának vizsgálata a parazita klórfejlődési reakcióra42.
Vanádium(IV)-szulfát-oxid-hidrát (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), kénsav (H2SO4), sósav (HCl), dimetil-formamid (DMF, Sigma-Aldrich), polivinilidén-fluorid (PVDF, Sigma-Aldrich), nátrium Volfrám-oxid-dihidrátot (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) és hidrofil szénszövetet, ELAT-t (Fuel Cell Store) használtunk ebben a vizsgálatban.
A hidratált volfrám-oxidot (HWO) hidrotermális reakcióval állítottuk elő, amelyben 2 g Na2WO4 sót 12 ml HO-ban oldottunk fel, amíg színtelen oldatot nem kaptunk, majd cseppenként hozzáadtunk 12 ml 2 M HCl-t, amíg világossárga szuszpenziót nem kaptunk. megszerezték.felfüggesztés.A hidrotermális reakciót teflon bevonatú rozsdamentes acél autoklávban hajtottuk végre kemencében 180 ºC-on 3 órán keresztül.A maradékot szűréssel összegyűjtöttük, etanollal és vízzel háromszor mostuk, kemencében 70 °C-on körülbelül 3 órán át szárítottuk, majd megőröltük, így kékesszürke HWO port kaptunk.
A kapott (kezeletlen) szénszövet elektródákat (CCT-ket) abban a formában használták fel, ahogy előállították, vagy hőkezelésnek vetették alá csőkemencében 450 °C-on 10 órán keresztül 15 °C/perc melegítési sebességgel levegőn. kezelt UCC (TCC) beszerzése, s Ugyanaz, mint az előző munkánál 24. Az UCC-t és a TCC-t körülbelül 1,5 cm széles és 7 cm hosszú elektródákra vágtuk.A C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 és HWO-50% C76 szuszpenzióit 20 mg hatóanyag port és 10 tömeg% (~2,22 mg) PVDF kötőanyag hozzáadásával állítottuk elő ~1 ml DMF-et készítettünk és 1 órán keresztül ultrahanggal kezeltük az egyenletesség javítása érdekében.Ezután 2 mg C76, HWO és HWO-C76 kompozitot vittünk fel az UCC aktív elektróda területének körülbelül 1,5 cm2-ére.Az összes katalizátort UCC elektródákra töltöttük, és a TCC-t csak összehasonlítás céljából használtuk, mivel korábbi munkáink azt mutatták, hogy nincs szükség hőkezelésre 24 .A lenyomat leülepedését úgy értük el, hogy 100 µl szuszpenziót (2 mg terhelés) ecsettel keféltünk a nagyobb egyenletesség érdekében.Ezután az összes elektródát szárítószekrényben egy éjszakán át 60 °C-on szárítottuk.Az elektródák mérése előtt és után is megtörténik a pontos készletterhelés biztosítása érdekében.Annak érdekében, hogy legyen egy bizonyos geometriai terület (~1,5 cm2), és ne kerüljön fel a vanádium elektrolit az elektródákra a kapilláris hatás miatt, vékony réteg paraffint vittünk fel az aktív anyagra.
A HWO felületi morfológiájának megfigyelésére terepi emissziós pásztázó elektronmikroszkópot (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60,5 kV) használtunk.Feii8SEM-mel (EDX, Zeiss AG) felszerelt energiadiszperzív röntgenspektroszkópiát használtunk a HWO-50%C76 elemek feltérképezésére az UCC elektródákon.200 kV-os gyorsítófeszültségen működő nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkóp (HR-TEM, JOEL JEM-2100) segítségével nagy felbontású képeket és diffrakciós gyűrűket kaptunk a HWO részecskékről.Használja a Crystallographic Tool Box (CrysTBox) szoftvert a HWO diffrakciós gyűrűk elemzéséhez a ringGUI funkció segítségével, és hasonlítsa össze az eredményeket az XRD modellekkel.Az UCC és a TCC szerkezetét és grafitosítását röntgendiffrakcióval (XRD) határoztuk meg 2,4°/perc pásztázási sebességgel 5°-tól 70°-ig Cu Ka-val (λ = 1,54060 Å), Panalytical röntgendiffraktométerrel.(3600-as modell).Az XRD a HWO kristályszerkezetét és fázisait mutatja.A PANalytical X'Pert HighScore szoftvert használták a HWO csúcsok és az adatbázisban elérhető volfrám-oxid térképek egyeztetésére45.Hasonlítsa össze a HWO eredményeket a TEM eredményekkel.A HWO minták kémiai összetételét és állapotát röntgen fotoelektron spektroszkópiával (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific) határoztuk meg.A CASA-XPS szoftvert (v 2.3.15) használtuk a csúcsdekonvolúcióhoz és az adatok elemzéséhez.Fourier transzformációs infravörös spektroszkópiával (FTIR, Perkin Elmer osztályú KBr FTIR spektrométerrel) méréseket végeztünk a HWO és a HWO-50%C76 felületi funkciós csoportjainak meghatározására.Hasonlítsa össze az eredményeket az XPS-eredményekkel.Az elektródák nedvesíthetőségének jellemzésére érintkezési szög méréseket (KRUSS DSA25) is alkalmaztunk.
Minden elektrokémiai méréshez Biologic SP 300 munkaállomást használtunk.Ciklikus voltammetriával (CV) és elektrokémiai impedancia spektroszkópiával (EIS) vizsgáltuk a VO2+/VO2+ redox reakció elektródkinetikáját és a reagens diffúzió (VOSO4 (VO2+)) hatását a reakció sebességére.Mindkét technológia háromelektródos cellát használ, amelynek elektrolitkoncentrációja 0,1 M VOSO4 (V4+) 1 M H2SO4 + 1 M HCl (kevert sav) oldatban.Minden bemutatott elektrokémiai adat IR korrigált.Telített kalomel elektródát (SCE) és platina (Pt) tekercset használtunk referencia-, illetve ellenelektródaként.CV esetén az 5, 20 és 50 mV/s pásztázási sebességeket (ν) alkalmaztuk egy potenciálablakra (0–1) V, összehasonlítva a VO2+/VO2+ SCE-vel, majd az SHE skálán korrigáltuk a diagramhoz (VSCE = 0,242). V a HSE-hez képest) .Az elektródaaktivitás megtartásának vizsgálatára CV recycle-t hajtottunk végre UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO és UCC-HWO-50% C76 ν értéken 5 mV/s.A VO2+/VO2+ redox reakció EIS méréseihez 0,01-105 Hz frekvenciatartományt és 10 mV nyitott áramköri feszültség (OCV) zavart használtunk.Minden kísérletet 2-3 alkalommal megismételtünk, hogy biztosítsuk az eredmények konzisztenciáját.A heterogén sebességi állandókat (k0) a Nicholson-módszerrel kaptuk46,47.
A hidratált volfrám-oxidot (HVO) sikeresen szintetizálták hidrotermális módszerrel.SEM kép az ábrán.Az 1a. ábra azt mutatja, hogy a lerakott HWO nanorészecskék klasztereiből áll, amelyek részecskemérete 25–50 nm tartományban van.
A HWO röntgendiffrakciós mintázata a (001) és (002) csúcsokat ~23,5°-nál és ~47,5°-nál mutatja, amelyek a nem sztöchiometrikus WO2.63 (W32O84) jellemzői (PDF 077-0810, a = 21,4 Å, b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90°), ami a látszólagos kék színének felel meg (1b. ábra)48,49.További csúcsok körülbelül 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° és 52,7° a (140), (620), (350), (720), (740), (560) pontokon.és (970) diffrakciós síkok, 49 ortorombikus WO2.63.Songara et al.43 ugyanazt a szintetikus módszert alkalmazta fehér termék előállítására, amelyet a WO3(H2O)0,333 jelenlétének tulajdonítottak.Ebben a munkában azonban az eltérő körülmények miatt egy kékesszürke terméket kaptunk, amely a WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7,3 Å, b = 12,5 Å, c = 7,7 ) együttélését jelzi Å-ben. , α = β = γ = 90°) és a volfrám-oxid redukált formája.Az X'Pert HighScore szoftverrel végzett szemikvantitatív elemzés 26% WO3(H2O)0,333: 74% W32O84 mutatott.Mivel a W32O84 W6+-ból és W4+-ból áll (1,67:1 W6+:W4+), a W6+ és W4+ becsült tartalma körülbelül 72% W6+ és 28% W4+.A C76 részecskék SEM-képeit, 1 másodperces XPS-spektrumait a mag szintjén, TEM-képeket, FTIR-spektrumokat és Raman-spektrumokat a C76 részecskék korábbi cikkünkben24 mutattuk be.Kawada et al.50,51 szerint a C76 röntgendiffrakciós mintázata az FCC monoklin szerkezetét mutatja a toluol eltávolítása után.
SEM képek az ábrán.A 2a. és 2b. ábra a HWO és a HWO-50%C76 sikeres lerakódását mutatja az UCC elektródák szénszálaira és között.A 2c. ábrán látható SEM képen a wolfram, a szén és az oxigén elemi leképezése a 2. ábrán látható.A 2d–f ábra azt mutatja, hogy a wolfram és a szén egyenletesen keveredik (hasonló eloszlást mutat) az elektróda felületén, és a kompozit nem egyenletesen rakódik le.a csapadékmódszer jellegéből adódóan.
SEM képek a lerakódott HWO részecskékről (a) és HWO-C76 részecskékről (b).Az UCC-ben a HWO-C76-ra feltöltött EDX-leképezés a (c) képen látható terület felhasználásával a wolfram (d), szén (e) és oxigén (f) eloszlását mutatja a mintában.
A HR-TEM-et nagy nagyítású képalkotáshoz és krisztallográfiai információkhoz használták (3. ábra).A HWO bemutatja a nanokocka morfológiáját, amint az a 3a ábrán látható, és világosabban a 3b ábrán.A nanokocka egy kiválasztott terület diffrakciójához való felnagyításával a Bragg-törvénynek megfelelő rácsszerkezet és diffrakciós síkok megjeleníthetők a 3c. ábrán látható módon, megerősítve az anyag kristályosságát.A 3c. ábra beszúrása a (022) és (620) diffrakciós síknak megfelelő d 3,3 Å távolságot mutatja a WO3(H2O)0,333 és W32O84, 43, 44, 49 fázisokban.Ez összhangban van a fenti XRD analízissel (1b. ábra), mivel a megfigyelt rácssík d távolsága (3c. ábra) megfelel a HWO minta legerősebb XRD-csúcsának.ábrán a mintagyűrűk is láthatók.3d, ahol minden gyűrű egy külön síknak felel meg.A WO3(H2O)0,333 és W32O84 síkok fehér, illetve kék színűek, és a megfelelő XRD-csúcsok az 1b. ábrán is láthatók.A gyűrűmintázatban látható első gyűrű a (022) vagy (620) diffrakciós sík röntgenmintájának első megjelölt csúcsának felel meg.A (022) és (402) gyűrűk között 3,30, 3,17, 2,38, 1,93 és 1,69 Å d-távolságokat találtunk, amelyek összhangban vannak a 3,30, 3,17, 2 ,45, 1,93 és 1,66 XRD-értékekkel.Å, 44, 45, ill.
(a) HWO HR-TEM képe, (b) nagyított képet mutat.A rácssíkok képei a (c)-ben láthatók, a (c) betét pedig a síkok kinagyított képe és a (002) és (620) síknak megfelelő d 0,33 nm intervallum.(d) HWO gyűrűmintázat, amely a WO3(H2O)0,333 (fehér) és W32O84 (kék) fázisokhoz kapcsolódó síkokat mutatja.
XPS analízist végeztünk a volfrám felületi kémiájának és oxidációs állapotának meghatározására (S1. és 4. ábra).A szintetizált HWO széles tartományú XPS pásztázásának spektruma a ábrán látható.S1, amely volfrám jelenlétét jelzi.A fő W 4f és O 1s szintek XPS szűk letapogatású spektrumait az 1-1.A 4a. és 4b.A W 4f spektrum két spin-pálya dublettre oszlik, amelyek megfelelnek a W oxidációs állapot kötési energiájának. A W 4f5/2 és W 4f7/2 csúcsok 37,8 és 35,6 eV kötési energiánál a W6+-hoz tartoznak, a W csúcsok pedig A 4f5/2 és W 4f7/2 36,6 és 34,9 eV-on a W4+ állapotra jellemző.Az oxidációs állapot (W4+) jelenléte tovább erősíti a nem sztöchiometrikus WO2.63 képződését, míg a W6+ jelenléte a WO3(H2O)0.333 miatt sztöchiometrikus WO3-ra utal.Az illesztett adatok azt mutatták, hogy a W6+ és a W4+ atomszázaléka 85%, illetve 15%, ami a két technológia közötti különbséget tekintve viszonylag közel állt az XRD adatokból becsült értékekhez.Mindkét módszer alacsony pontossággal szolgáltat kvantitatív információkat, különösen az XRD.Ezenkívül a két módszer az anyag különböző részeit elemzi, mivel az XRD egy tömeges módszer, míg az XPS egy felületi módszer, amely csak néhány nanométert közelít meg.Az O 1s spektrum két csúcsra bomlik, 533 (22,2%) és 530,4 eV (77,8%).Az első az OH-nak, a második pedig a WO rácsában lévő oxigénkötéseknek felel meg.Az OH funkciós csoportok jelenléte összhangban van a HWO hidratációs tulajdonságaival.
Ezen a két mintán FTIR analízist is végeztünk, hogy megvizsgáljuk a funkcionális csoportok és koordinált vízmolekulák jelenlétét a hidratált HWO szerkezetben.Az eredmények azt mutatják, hogy a HWO-50% C76 minta és az FT-IR HWO eredmények azonosnak tűnnek a HWO jelenléte miatt, de a csúcsok intenzitása különbözik az elemzési előkészítés során felhasznált különböző mennyiségű minta miatt (5a. ábra). ).HWO-50% C76 Az összes fullerén 24 csúcs látható, kivéve a volfrám-oxid csúcsot.ábrán részletezve.Az 5a. ábra azt mutatja, hogy mindkét minta nagyon erős széles sávot mutat ~ 710/cm értéknél, ami a HWO rácsszerkezetben lévő OWO nyújtási rezgéseknek tulajdonítható, és egy erős vállat ~ 840/cm értéknél, ami a WO-nak tulajdonítható.az éles sáv ~1610/cm-nél az OH hajlítási rezgésével, a széles abszorpciós sáv pedig ~3400/cm-nél a hidroxilcsoportban lévő OH nyújtási rezgésével kapcsolatos43.Ezek az eredmények összhangban vannak a 4b. ábrán látható XPS-spektrummal, ahol a WO funkciós csoport aktív helyeket biztosíthat a VO2+/VO2+ reakcióhoz.
A HWO és a HWO-50% C76 (a) FTIR elemzése, amely a funkcionális csoportokat és az érintkezési szög méréseit mutatja (b, c).
Az OH csoport a VO2+/VO2+ reakciót is katalizálhatja, ezáltal növelve az elektróda hidrofilitását, elősegítve ezzel a diffúziót és az elektronátviteli sebességet.A HWO-50% C76 minta egy további C76 csúcsot mutat, amint az az ábrán látható.A ~2905, 2375, 1705, 1607 és 1445 cm3-es csúcsok rendre a CH, O=C=O, C=O, C=C és CO nyújtórezgésekhez rendelhetők.Köztudott, hogy a C=O és CO oxigén funkciós csoportok aktív centrumként szolgálhatnak a vanádium redox reakcióihoz.A két elektróda nedvesíthetőségének tesztelésére és összehasonlítására érintkezési szög méréseket alkalmaztunk, amint az 5b, c ábrán látható.A HWO elektróda azonnal elnyeli a vízcseppeket, ami szuperhidrofilitást jelez a rendelkezésre álló OH funkciós csoportok miatt.A HWO-50% C76 hidrofóbabb, érintkezési szöge körülbelül 135° 10 másodperc után.Az elektrokémiai mérések során azonban a HWO-50%C76 elektróda kevesebb mint egy perc alatt teljesen átnedvesedett.A nedvesíthetőségi mérések összhangban vannak az XPS és FTIR eredményekkel, ami arra utal, hogy több OH csoport a HWO felületén viszonylag hidrofilebbé teszi.
A HWO és HWO-C76 nanokompozitok VO2+/VO2+ reakcióit teszteltük, és várható volt, hogy a HWO elnyomja a VO2+/VO2+ reakciók során fellépő klórgáz fejlődését vegyes savakban, míg a C76 tovább katalizálja a kívánt VO2+/VO2+-t.10%, 30% és 50% C76-ot tartalmazó HWO szuszpenziókat vittünk fel az UCC elektródákra körülbelül 2 mg/cm2 összterheléssel.
ábrán látható módon.A 6. ábrán a VO2+/VO2+ reakció kinetikáját az elektróda felületén vizsgáltuk CV segítségével kevert savas elektrolitokban.Az áramok I/Ipa-ként jelennek meg, hogy megkönnyítsük a ΔEp és az Ipa/Ipc összehasonlítását.Különféle katalizátorokat kapunk közvetlenül az ábráról.Az aktuális területegység adatok a 2S ábrán láthatók.ábrán.A 6a. ábra azt mutatja, hogy a HWO kismértékben növeli a VO2+/VO2+ redoxreakció elektronátviteli sebességét az elektród felületén, és elnyomja a parazita klórfejlődés reakcióját.A C76 azonban jelentősen megnöveli az elektronátviteli sebességet és katalizálja a klórfejlődési reakciót.Ezért a megfelelő HWO és C76 összetételű komplexnek kell a legjobb aktivitással és a klórreakció gátlására a legnagyobb képességgel rendelkeznie.Azt találták, hogy a C76 tartalom növelése után az elektróda elektrokémiai aktivitása javult, amit a ΔEp csökkenése és az Ipa/Ipc arány növekedése bizonyít (S3 táblázat).Ezt a Nyquist-diagramból kinyert RCT értékek is megerősítették a 6d. ábrán (S3 táblázat), ahol azt találták, hogy az RCT értékek a C76 tartalom növekedésével csökkentek.Ezek az eredmények összhangban vannak Lee tanulmányával is, amelyben a mezopórusos szén hozzáadása a mezopórusos WO3-hoz javította a VO2+/VO2+35 töltésátviteli kinetikáját.Ez arra utal, hogy a pozitív reakció jobban függhet az elektróda vezetőképességétől (C=C kötés)18,24,35,36,37.A [VO(H2O)5]2+ és [VO2(H2O)4]+ közötti koordinációs geometria változása miatt a C76 a szöveti energia csökkentésével csökkentheti a válasz túlfeszültségét is.Előfordulhat azonban, hogy ez nem lehetséges HWO elektródákkal.
(a) Különböző HWO:C76 arányú UCC és HWO-C76 kompozitok ciklikus voltammetriás viselkedése VO2+/VO2+ reakciókban 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elektrolitban (ν = 5 mV/s).(b) Randles-Sevchik és (c) Nicholson VO2+/VO2+ módszere a diffúziós hatékonyság becslésére és a k0 értékek megszerzésére (d).
Nemcsak a HWO-50% C76 mutatott majdnem ugyanolyan elektrokatalitikus aktivitást, mint a C76 a VO2+/VO2+ reakcióban, de ami még érdekesebb, a klórgáz fejlődését is elnyomta a C76-hoz képest, amint az az ábrán látható.ábrán látható kisebb félkör mellett, a 6a.6 g (alacsonyabb RCT).A C76 magasabb látszólagos Ipa/Ipc-t mutatott, mint a HWO-50% C76 (S3 táblázat), nem a reakció javult reverzibilitása miatt, hanem a klórredukciós csúccsal való átfedés miatt 1,2 V-nál az SHE-hez képest.A HWO-50% C76 legjobb teljesítménye a negatív töltésű, erősen vezetőképes C76 és a W-OH magas nedvesíthetősége és katalitikus funkciói közötti szinergiának tulajdonítható a HWO-n.Míg a kevesebb klór kibocsátás javítja a teljes cella töltési hatékonyságát, a jobb kinetika növeli a teljes cella feszültségének hatékonyságát.
Az S1 egyenlet szerint egy diffúzióval vezérelt kvázi reverzibilis (viszonylag lassú elektronátvitel) reakció esetén a csúcsáram (IP) az elektronok számától (n), az elektród területétől (A), diffúziós együtthatótól (D), számától függ. az elektronátviteli együttható (α) és a pásztázási sebesség (ν).A vizsgált anyagok diffúzióvezérelt viselkedésének tanulmányozása érdekében az IP és ν1/2 közötti összefüggést ábrázoltuk, és a 6b. ábrán mutattuk be.Mivel minden anyag lineáris kapcsolatot mutat, a reakciót diffúzió szabályozza.Mivel a VO2+/VO2+ reakció kvázi reverzibilis, az egyenes meredeksége a diffúziós együtthatótól és az α értékétől függ (S1 egyenlet).Az állandó diffúziós együttható (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52 miatt a vonal meredekségének különbsége közvetlenül jelzi az α különböző értékeit, és ezáltal az elektród felületére történő elektronátvitel különböző sebességét, C76 és HWO -50 esetén % C76, amely a legmeredekebb lejtőket mutatja (legmagasabb elektronátviteli sebesség).
Az S3 táblázatban (6d. ábra) látható számított alacsony frekvenciájú Warburg meredekségek (W) értékei közel 1-hez vannak minden anyagra, ami a redox részecskék tökéletes diffúzióját jelzi, és megerősíti az IP lineáris viselkedését a ν1/2-vel szemben a CV esetében.mérések.A HWO-50% C76 esetében a Warburg lejtő egységről 1,32-re tér el, ami nem csak a reaktánsok félig végtelen diffúziójából (VO2+), hanem az elektróda porozitása miatti vékonyréteg-viselkedésből is feltételezhető.
A VO2+/VO2+ redoxreakció reverzibilitásának (elektronátviteli sebességének) további elemzéséhez a Nicholson kvázi-reverzibilis reakciómódszert is alkalmaztuk a standard k041,42 sebességi állandó meghatározására.Ez úgy történik, hogy a Ψ dimenzió nélküli kinetikai paramétert ΔEp függvényében ν−1/2 függvényében ábrázoljuk az S2 egyenlet segítségével.Az S4 táblázat az egyes elektródaanyagokra kapott Ψ értékeket mutatja.Ábrázolja az eredményeket (6c. ábra), hogy megkapja a k0 × 104 cm/s értéket (mindegyik sor mellé írva, és az S4 táblázatban bemutatva), az S3 egyenlet felhasználásával az egyes diagramok lejtésére.Megállapították, hogy a HWO-50% C76 a legnagyobb lejtésű (6c. ábra), és így a legmagasabb k0 értéke is, 2,47 × 10–4 cm/s.Ez azt jelenti, hogy ez az elektróda biztosítja a leggyorsabb kinetikát, összhangban a 6a és d ábrákon, valamint az S3 táblázatban látható CV és EIS eredményekkel.Ezenkívül a k0 értékeket az S4 egyenlet Nyquist-diagramjaiból (6d. ábra) is megkaptuk az RCT-értékek segítségével (S3 táblázat).Ezeket az EIS-ből származó k0 eredményeket az S4 táblázat foglalja össze, és azt is mutatják, hogy a HWO-50% C76 rendelkezik a legnagyobb elektronátviteli sebességgel a szinergikus hatás miatt.Annak ellenére, hogy a k0 értéke az egyes módszerek eltérő eredete miatt eltérő, mégis ugyanazt a nagyságrendet mutatja és konzisztenciát mutat.
Az elérhető kiváló kinetika teljes megértéséhez fontos az optimális elektródaanyag összehasonlítása a szigeteletlen UCC és TCC elektródákkal.A VO2+/VO2+ reakció esetében a HWO-C76 nemcsak a legalacsonyabb ΔEp-t és jobb reverzibilitást mutatta, hanem szignifikánsan elnyomta a parazita klórfejlődési reakciót is a TCC-hez képest, amit az 1,45 V-os jelentős áramesés jelez az OHA-hoz képest (2. 7a).A stabilitás tekintetében azt feltételeztük, hogy a HWO-50% C76 fizikailag stabil, mivel a katalizátort PVDF kötőanyaggal keverték össze, majd a szénszövet elektródákra vitték fel.Az UCC 50 mV-tal összehasonlítva a HWO-50% C76 44 mV-os csúcseltolódást mutatott 150 ciklus után (a lebomlási sebesség 0,29 mV/ciklus) (7b. ábra).Lehet, hogy nem nagy különbség, de az UCC elektródák kinetikája nagyon lassú, és a ciklussal leromlik, különösen a hátsó reakciónál.Bár a TCC reverzibilitása sokkal jobb, mint az UCC-é, a TCC-nek nagy, 73 mV-os csúcseltolódása tapasztalható 150 ciklus után, ami a felületéről felszabaduló nagy mennyiségű klórnak köszönhető.Annak biztosítása érdekében, hogy a katalizátor jól tapadjon az elektróda felületéhez.Amint az az összes vizsgált elektródán látható, még a hordozós katalizátort nem tartalmazó elektródák is különböző mértékű ciklusos instabilitást mutatnak, ami arra utal, hogy a ciklus során a csúcsok szétválásában bekövetkezett változások a kémiai változások miatti anyagdeaktivációnak köszönhetők, nem pedig a katalizátor elválasztásának.Továbbá, ha nagy mennyiségű katalizátorrészecskét választanának le az elektródák felületéről, az a csúcsszétválás jelentős növekedéséhez vezetne (nem csak 44 mV-tal), mivel a szubsztrát (UCC) viszonylag inaktív a VO2+/VO2+-ra. redox reakció.
Az optimális elektródaanyag CV (a) és a redox reakció VO2+/VO2+ (b) stabilitásának összehasonlítása a CCC-hez képest.A 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elektrolitban minden CV egyenlő ν = 5 mV/s.
A VRFB technológia gazdasági vonzerejének növelése érdekében a vanádium-redox reakció kinetikájának javítása és megértése elengedhetetlen a magas energiahatékonyság eléréséhez.HWO-C76 kompozitokat állítottunk elő és vizsgáltuk elektrokatalitikus hatásukat a VO2+/VO2+ reakcióra.A HWO kis kinetikai javulást mutatott, de jelentősen elnyomta a klórfejlődést kevert savas elektrolitokban.Különféle HWO:C76 arányokat alkalmaztak a HWO-alapú elektródák kinetikájának további optimalizálására.A C76-tartalom HWO-ra emelése javíthatja a VO2+/VO2+ reakció elektrontranszfer kinetikáját a módosított elektródán, amelyek közül a HWO-50% C76 a legjobb anyag, mert csökkenti a töltésátviteli ellenállást és tovább gátolja a klórgáz fejlődését C76.és a TCC kiadásra kerül.Ez a C=C sp2 hibridizáció, az OH és a W-OH funkciós csoportok közötti szinergetikus hatásnak köszönhető.A HWO-50% C76 lebomlási sebessége 0,29 mV/ciklus többszörös ciklus mellett, míg az UCC és a TCC 0,33 mV/ciklus, illetve 0,49 mV/ciklus, így nagyon stabil a kevert savas elektrolitokban.A bemutatott eredmények sikeresen azonosítják a VO2+/VO2+ reakcióhoz gyors kinetikával és nagy stabilitással rendelkező, nagy teljesítményű elektródaanyagokat.Ez növeli a kimeneti feszültséget, ezáltal javítja a VRFB energiahatékonyságát, ezáltal csökkenti a jövőbeni kereskedelmi forgalomba hozatalának költségeit.
A jelen tanulmányban használt és/vagy elemzett adatkészletek ésszerű kérésre hozzáférhetők a megfelelő szerzőktől.
Luderer G. et al.A szél- és napenergia becslése globális alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiaforgatókönyvekben: Bevezetés.Energiagazdaságtan.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. és Kim, H. Az MnO2 lerakódás hatásának elemzése vanádium-mangán redox áramlási akkumulátorok teljesítményére.J. Elektrokémia.társadalom.165 (5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA és Walsh, FK Dinamikus egységcella modell egy teljesen vanádium redox áramlási akkumulátorhoz.J. Elektrokémia.társadalom.158. (6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA és Mench, MM. Egy in situ potenciáleloszlás mérési és ellenőrzési modellje egy teljesen vanádium redox áramlási akkumulátorhoz.J. Elektrokémia.társadalom.163. cikk (1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. és Suzuki, T. Vanádium redox akkumulátor modellezése és szimulációja interdigitált fluxusmezővel az elektróda szerkezetének optimalizálására.J. Elektrokémia.társadalom.167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. és Skillas-Kazakos, M. Grafitelektród anyagok módosítása vanádium redox akkumulátorokban való alkalmazáshoz – I. Hőkezelés.elektrokémia.Acta 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H. és Chen, J. Előrelépések az elektródákban a vanádium áramlási akkumulátorok (VFB) teljesítménysűrűségének javítása érdekében.J. Energy Chemistry.27. (5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al.Nagy hatékonyságú vanádium redox áramlási cella optimalizált elektróda konfigurációval és membránválasztással.J. Elektrokémia.társadalom.159. cikk (8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J. és Yang, K. Kompozit szén nanocső katalizátor elektródák szén filc támogatással vanádium redox akkumulátor alkalmazásokhoz.J. Tápellátás.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y. és Kwon, Y. A megsavanyított CNT-ken lerakódott bizmut-szulfát hatása a vanádium redox flow akkumulátorok teljesítményére.J. Elektrokémia.társadalom.166. (12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.várjon.Platina/többfalú szén nanocsövekkel módosított aktív elektródák vanádium redox flow akkumulátorokhoz.J. Elektrokémia.társadalom.159. cikk (10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
De S. et al.A vanádium redox áramlási akkumulátor elektrokatalizátorokat használ, amelyeket fémorganikus állványokból származó nitrogénnel adalékolt szén nanocsövek díszítenek.J. Elektrokémia.társadalom.165. (7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al.A grafén-oxid nanolemezek kiváló elektrokémiailag aktív anyagok VO2+/ és V2+/V3+ redox párokhoz vanádium redox flow akkumulátorokhoz.Carbon 49(2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z. et al.A grafénnel módosított grafit filc kiváló elektrokémiai teljesítménye vanádium redox akkumulátorokhoz.J. Tápellátás.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. és Santamaria R. Carbon nanowall films as nanostructured electrode materials in vanadium redox flow akkumulátor.Nano Energy 1(6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J. és Yung H. Háromdimenziós grafénnel módosított mezopórusos szénfilc nagy teljesítményű vanádium redox áramlási akkumulátorokhoz.elektrokémia.330. törvény, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).
Feladás időpontja: 2023.02.23