نانوکامپوزیت های لوله مویرگی 304 بر اساس اکسید تنگستن/فولرن به عنوان الکتروکاتالیست و بازدارنده واکنش های انگلی VO2+/VO2+ در اسیدهای مخلوط

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نشان می‌دهیم.
چرخ فلکی از سه اسلاید را همزمان نمایش می دهد.از دکمه های قبلی و بعدی برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید یا از دکمه های لغزنده در پایان برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید.

ترکیب شیمیایی لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ 304

لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ 304 نوعی آلیاژ کروم نیکل آستنیتی است.طبق گفته سازنده لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ 304، جزء اصلی موجود در آن کروم (17٪ - 19٪) و Ni (8٪ - 10.5٪) است.به منظور بهبود مقاومت آن در برابر خوردگی، مقادیر کمی منگنز (2٪) و Si (0.75٪) وجود دارد.

خواص مکانیکی لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ 304

خواص مکانیکی لوله کویل فولادی ضد زنگ 304 به شرح زیر است:

• استحکام کششی: ≥515MPa
• قدرت تسلیم: ≥205MPa
• کشیدگی: ≥30٪

کاربردها و موارد استفاده از لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ 304

هزینه نسبتاً بالای باتری های جریان ردوکس وانادیوم (VRFBs) استفاده گسترده از آنها را محدود می کند.سینتیک واکنش های الکتروشیمیایی باید بهبود یابد تا چگالی توان و کارایی انرژی VRFB افزایش یابد و در نتیجه هزینه کیلووات ساعت VRFB کاهش یابد.در این کار، نانوذرات اکسید تنگستن هیدراته (HWO) سنتز هیدروترمال، C76 و C76/HWO، بر روی الکترودهای پارچه کربنی رسوب کردند و به عنوان الکتروکاتالیست برای واکنش ردوکس VO2+/VO2+ آزمایش شدند.میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM)، طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDX)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HR-TEM)، پراش اشعه ایکس (XRD)، طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS)، فوریه مادون قرمز اندازه گیری طیف سنجی تبدیل (FTIR) و زاویه تماس.مشخص شده است که افزودن فولرن C76 به HWO می‌تواند سینتیک الکترود را با توجه به واکنش ردوکس VO2+/VO2+ با افزایش رسانایی و ارائه گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن در سطح آن افزایش دهد.کامپوزیت HWO/C76 (50 درصد وزنی C76) ثابت کرد که مناسب ترین واکنش برای واکنش VO2+/VO2+ با ΔEp 176 میلی ولت در مقایسه با 365 میلی ولت برای پارچه کربنی تصفیه نشده (UCC) است.علاوه بر این، کامپوزیت HWO/C76 مهار قابل توجهی از واکنش تکامل کلر انگلی به دلیل گروه‌های عاملی W-OH نشان داد.
فعالیت شدید انسانی و انقلاب سریع صنعتی منجر به تقاضای بالای غیرقابل توقف برای برق شده است که در حدود 3 درصد در سال رشد می کند.برای دهه ها، استفاده گسترده از سوخت های فسیلی به عنوان منبع انرژی منجر به انتشار گازهای گلخانه ای شده است که منجر به گرم شدن کره زمین، آلودگی آب و هوا شده و کل اکوسیستم ها را تهدید می کند.در نتیجه، پیش‌بینی می‌شود که تا سال 2050 سهم انرژی‌های تجدیدپذیر پاک و انرژی خورشیدی به 75 درصد از کل برق برسد.با این حال، زمانی که تولید انرژی تجدیدپذیر از 20 درصد کل تولید برق فراتر رود، شبکه ناپایدار می شود.
در میان تمام سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند باتری‌های هیبریدی وانادیوم ردوکس ۲، تمام باتری‌های جریان ردوکس وانادیوم (VRFB) به دلیل مزایای فراوانی که دارند، پیشرفته‌ترین هستند و بهترین راه‌حل برای ذخیره‌سازی طولانی مدت انرژی (حدود ۳۰ سال) در نظر گرفته می‌شوند.استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر 4.این به دلیل تفکیک توان و چگالی انرژی، پاسخ سریع، عمر طولانی و هزینه های سالانه نسبتا کم 65 دلار در کیلووات ساعت در مقایسه با 93 تا 140 دلار در کیلووات ساعت برای باتری های لیتیوم یون و سرب اسید و 279 تا 420 دلار آمریکا در کیلووات ساعت است.باتری های / کیلووات ساعت به ترتیب 4.
با این حال، تجاری سازی گسترده آنها همچنان به دلیل هزینه های سرمایه نسبتاً بالای سیستم، عمدتاً به دلیل بسته های باتری 4،5، با مشکل مواجه می شود.بنابراین، بهبود عملکرد باتری با افزایش سینتیک دو واکنش نیم سلولی می تواند اندازه باتری را کاهش دهد و در نتیجه هزینه را کاهش دهد.بنابراین، بسته به طراحی، ترکیب و ساختار الکترود، انتقال سریع الکترون به سطح الکترود مورد نیاز است که باید به دقت بهینه شود.اگرچه الکترودهای مبتنی بر کربن پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی و رسانایی الکتریکی خوبی دارند، اما در صورت درمان نشدن، سینتیک آنها به دلیل عدم وجود گروه های عاملی اکسیژن و آب دوستی کند می شود.بنابراین، الکتروکاتالیست های مختلف با الکترودهای کربن، به ویژه نانوساختارهای کربنی و اکسیدهای فلزی، ترکیب می شوند تا سینتیک هر دو الکترود را بهبود بخشند و در نتیجه سینتیک الکترودهای VRFB را افزایش دهند.
بسیاری از مواد کربنی مانند کاغذ کربنی 9، نانولوله های کربنی 10، 11، 12، 13، نانوساختارهای مبتنی بر گرافن 14، 15، 16، 17، نانوالیاف کربنی 18 و موارد دیگر 19، 20، 21، 22، 23، به جز خانواده فولرن استفاده شده است. .در مطالعه قبلی خود روی C76، برای اولین بار فعالیت الکتروکاتالیستی عالی این فولرن نسبت به VO2+/VO2+ را گزارش کردیم، در مقایسه با پارچه کربنی عملیات حرارتی شده و تیمار نشده، مقاومت انتقال بار 99.5٪ و 97٪ 24 کاهش یافت.عملکرد کاتالیزوری مواد کربنی برای واکنش VO2+/VO2+ در مقایسه با C76 در جدول S1 نشان داده شده است.از طرفی بسیاری از اکسیدهای فلزی مانند CeO225، ZrO226، MoO327، NiO28، SnO229، Cr2O330 و WO331، 32، 33، 34، 35، 36، 37، 38 به دلیل افزایش ترشوندگی و غلظت بالای آنها استفاده می شود.گروه ها.جدول S2 عملکرد کاتالیزوری این اکسیدهای فلزی را در واکنش VO2+/VO2+ نشان می دهد.WO3 به دلیل هزینه کم، پایداری بالا در محیط اسیدی و فعالیت کاتالیزوری بالا در تعداد قابل توجهی از کارها استفاده شده است.با این حال، WO3 بهبود کمی در سینتیک کاتد نشان داد.برای بهبود رسانایی WO3، اثر استفاده از اکسید تنگستن کاهش یافته (W18O49) بر فعالیت مثبت الکترود مورد آزمایش قرار گرفت.اکسید تنگستن هیدراته (HWO) هرگز در کاربردهای VRFB آزمایش نشده است، اگرچه در کاربردهای ابرخازن به دلیل انتشار سریع کاتیون در مقایسه با WOx39،40 بی آب، فعالیت بالاتری را نشان داده است.نسل سوم باتری جریان ردوکس تمام وانادیوم از یک الکترولیت اسید مخلوط متشکل از HCl و H2SO4 برای بهبود عملکرد باتری و بهبود حلالیت و پایداری یون‌های وانادیوم در الکترولیت استفاده می‌کند.با این حال، واکنش تکامل کلر انگلی به یکی از معایب نسل سوم تبدیل شده است، بنابراین یافتن راه هایی برای سرکوب واکنش ارزیابی کلر به وظیفه چندین گروه تحقیقاتی تبدیل شده است.
در اینجا، آزمایش‌های واکنش VO2+/VO2+ بر روی کامپوزیت‌های HWO/C76 که بر روی الکترودهای پارچه‌ای کربنی سپرده شده‌اند، انجام شد تا تعادلی بین هدایت الکتریکی کامپوزیت‌ها و سینتیک واکنش ردوکس روی سطح الکترود پیدا شود و در عین حال، رسوب کلر انگلی را سرکوب کرد.واکنش (KVR).نانوذرات اکسید تنگستن هیدراته (HWO) با یک روش هیدروترمال ساده سنتز شدند.آزمایش‌ها در یک الکترولیت اسیدی مخلوط (H2SO4/HCl) برای شبیه‌سازی نسل سوم VRFB (G3) برای راحتی و برای بررسی تأثیر HWO بر واکنش تکامل کلر انگلی انجام شد.
هیدرات اکسید سولفات وانادیوم (IV) (VOSO4، 99.9٪، آلفا-آیسر)، اسید سولفوریک (H2SO4)، اسید کلریدریک (HCl)، دی متیل فرمامید (DMF، سیگما-آلدریچ)، پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF، سیگما-آلدریچ)، سدیم در این مطالعه از اکسید تنگستن دی هیدرات (Na2WO4، 99% Sigma-Aldrich) و پارچه کربن آبدوست ELAT (فروشگاه سلول سوختی) استفاده شد.
اکسید تنگستن هیدراته (HWO) توسط یک واکنش هیدروترمال تهیه شد که در آن 2 گرم نمک Na2WO4 در 12 میلی لیتر HO حل شد تا محلول بی رنگ به دست آمد و سپس 12 میلی لیتر هیدروکلراید 2 مولار به صورت قطره ای به سوسپانسیون زرد روشن اضافه شد. به دست آمد.تعلیق.واکنش هیدروترمال در اتوکلاو فولاد ضد زنگ با پوشش تفلون در آون با دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت انجام شد.باقیمانده با فیلتراسیون جمع آوری شد، 3 بار با اتانول و آب شسته شد، در اجاق با دمای 70 درجه سانتیگراد به مدت ~ 3 ساعت خشک شد و سپس آسیاب شد تا پودر HWO خاکستری آبی به دست آید.
الکترودهای پارچه کربنی (CCT) به‌دست‌آمده به‌صورتی که در یک کوره لوله‌ای در دمای 450 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ساعت با سرعت گرمایش 15 درجه سانتی‌گراد در دقیقه در هوا به دست آمد یا تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند، استفاده شد. UCC درمان شده (TCC) را بدست آورید، s همانند کار قبلی 24. UCC و TCC به الکترودهایی با عرض تقریبی 1.5 سانتی متر و طول 7 سانتی متر بریده شدند.سوسپانسیون های C76، HWO، HWO-10% C76، HWO-30% C76 و HWO-50% C76 با افزودن 20 میلی گرم پودر ماده فعال و 10 درصد وزنی (2.22 میلی گرم) از بایندر PVDF به 1 میلی لیتر از چسب تهیه شد. DMF آماده شد و به مدت 1 ساعت برای بهبود یکنواختی فراصوت شد.سپس 2 میلی گرم از کامپوزیت های C76، HWO و HWO-C76 به حدود 1.5 سانتی متر مربع از ناحیه الکترود فعال UCC اعمال شد.همه کاتالیزورها روی الکترودهای UCC بارگذاری شدند و TCC فقط برای مقاصد مقایسه استفاده شد، زیرا کار قبلی ما نشان داده است که عملیات حرارتی مورد نیاز نیست 24 .ته نشین شدن اثر با مسواک زدن 100 میکرولیتر از سوسپانسیون (بار 2 میلی گرم) برای یکنواختی بیشتر حاصل شد.سپس تمام الکترودها به مدت یک شب در آون با دمای 60 درجه سانتی گراد خشک شدند.الکترودها قبل و بعد اندازه گیری می شوند تا از بارگذاری دقیق انبار اطمینان حاصل شود.به منظور داشتن یک منطقه هندسی مشخص (~1.5 سانتی متر مربع) و جلوگیری از بالا آمدن الکترولیت وانادیوم به الکترودها به دلیل اثر مویرگی، یک لایه نازک پارافین روی ماده فعال اعمال شد.
یک میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM، Zeiss SEM Ultra 60.5 kV) برای مشاهده مورفولوژی سطح HWO استفاده شد.طیف‌سنجی اشعه ایکس پراکنده انرژی مجهز به Feii8SEM (EDX، Zeiss AG) برای نقشه‌برداری از عناصر HWO-50% C76 روی الکترودهای UCC استفاده شد.یک میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HR-TEM، JOEL JEM-2100) که با ولتاژ شتاب دهنده 200 کیلو ولت کار می کند برای به دست آوردن تصاویر با وضوح بالا و حلقه های پراش ذرات HWO استفاده شد.از نرم افزار Crystallographic Tool Box (CrysTBox) برای تجزیه و تحلیل حلقه های پراش HWO با استفاده از تابع ringGUI و مقایسه نتایج با مدل های XRD استفاده کنید.ساختار و گرافیتیزاسیون UCC و TCC با پراش اشعه ایکس (XRD) با سرعت اسکن 2.4 درجه در دقیقه از 5 درجه تا 70 درجه با Cu Kα (λ = 1.54060 Å) با استفاده از پراش سنج اشعه ایکس Panalytical تعیین شد.(مدل 3600).XRD ساختار بلوری و فازهای HWO را نشان می دهد.از نرم افزار PANalytical X'Pert HighScore برای تطبیق پیک های HWO با نقشه های اکسید تنگستن موجود در پایگاه داده استفاده شد.نتایج HWO را با نتایج TEM مقایسه کنید.ترکیب شیمیایی و وضعیت نمونه های HWO توسط طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS، ESCALAB 250Xi، ThermoScientific) تعیین شد.برای تجزیه و تحلیل داده ها از نرم افزار CASA-XPS (v 2.3.15) استفاده شد.اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR، با استفاده از طیف‌سنج پرکین المر کلاس KBr FTIR) برای تعیین گروه‌های عملکردی سطح HWO و HWO-50% C76 انجام شد.نتایج را با نتایج XPS مقایسه کنید.اندازه گیری زاویه تماس (KRUSS DSA25) نیز برای مشخص کردن ترشوندگی الکترودها استفاده شد.
برای تمام اندازه گیری های الکتروشیمیایی، از ایستگاه کاری Biologic SP 300 استفاده شد.ولتامتری چرخه ای (CV) و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) برای مطالعه سینتیک الکترود واکنش ردوکس VO2 + / VO2 + و تأثیر انتشار معرف (VOSO4 (VO2 +)) بر سرعت واکنش استفاده شد.هر دو فناوری از یک سلول سه الکترودی با غلظت الکترولیت 0.1 مولار VOSO4 (V4+) محلول در 1 M H2SO4 + 1 M HCl (اسید مخلوط) استفاده می کنند.تمام داده های الکتروشیمیایی ارائه شده IR تصحیح شده است.یک الکترود کالامل اشباع (SCE) و یک سیم پیچ پلاتین (Pt) به ترتیب به عنوان الکترود مرجع و ضد استفاده شد.برای CV، نرخ‌های اسکن (ν) 5، 20، و 50 میلی‌ولت بر ثانیه در یک پنجره بالقوه (0-1) V در مقایسه با SCE برای VO2+/VO2+ اعمال شد، سپس در مقیاس SHE برای رسم تصحیح شد (VSCE = 0.242). V نسبت به HSE) .برای بررسی حفظ فعالیت الکترود، یک بازیافت CV روی UCC، TCC، UCC-C76، UCC-HWO و UCC-HWO-50٪ C76 در ν برابر با 5 میلی ولت بر ثانیه انجام شد.برای اندازه گیری EIS برای واکنش ردوکس VO2+/VO2+، محدوده فرکانس 0.01-105 هرتز و اختلال ولتاژ مدار باز (OCV) 10 میلی ولت استفاده شد.هر آزمایش 2-3 بار تکرار شد تا از ثبات نتایج اطمینان حاصل شود.ثابت های سرعت ناهمگن (k0) با روش نیکلسون 46،47 به دست آمد.
اکسید تنگستن هیدراته (HVO) با موفقیت با روش هیدروترمال سنتز شده است.تصویر SEM در شکل.1a نشان می‌دهد که HWO رسوب‌شده شامل خوشه‌هایی از نانوذرات با اندازه ذرات در محدوده 25 تا 50 نانومتر است.
الگوی پراش اشعه ایکس HWO پیک های (001) و (002) را به ترتیب در ~23.5 درجه و ~47.5 درجه نشان می دهد که مشخصه WO2.63 غیراستوکیومتری (W32O84) است (PDF 077-0810, a = 21.4 Å, a = 21.4). b = 17.8 Å، c = 3.8 Å، α = β = γ = 90 درجه)، که مربوط به رنگ آبی ظاهری آن است (شکل 1b) 48،49.سایر قله ها در حدود 20.5 درجه، 27.1 درجه، 28.1 درجه، 30.8 درجه، 35.7 درجه، 36.7 درجه و 52.7 درجه در (140)، (620)، (350)، (720)، (740)، (560) هستند.و (970) هواپیماهای پراش، به ترتیب، 49 WO2.63 ارتورومبیک.سونگارا و همکاران43 از همان روش مصنوعی برای به دست آوردن یک محصول سفید استفاده کردند که به وجود WO3(H2O) 0.333 نسبت داده شد.با این حال، در این کار، به دلیل شرایط مختلف، یک محصول خاکستری آبی به دست آمد که نشان دهنده همزیستی WO3(H2O) 0.333 (PDF 087-1203، a = 7.3 Å، b = 12.5 Å، c = 7.7) در Å است. ، α = β = γ = 90 درجه) و شکل احیا شده اکسید تنگستن.تجزیه و تحلیل نیمه کمی با نرم افزار X'Pert HighScore 26% WO3(H2O)0.333: 74% W32O84 را نشان داد.از آنجایی که W32O84 از W6+ و W4+ (1.67:1 W6+:W4+) تشکیل شده است، محتوای تخمینی W6+ و W4+ به ترتیب حدود 72٪ W6+ و 28٪ W4+ است.تصاویر SEM، طیف 1 ثانیه ای XPS در سطح هسته، تصاویر TEM، طیف FTIR و طیف رامان ذرات C76 در مقاله قبلی ما ارائه شده است.طبق گفته کاوادا و همکاران 50،51، الگوی پراش اشعه ایکس C76 ساختار مونوکلینیک FCC را پس از حذف تولوئن نشان می دهد.
تصاویر SEM در شکل.2a و b رسوب موفقیت آمیز HWO و HWO-50% C76 را روی و بین الیاف کربن الکترودهای UCC نشان می دهد.نگاشت عنصری تنگستن، کربن و اکسیژن در تصویر SEM در شکل 2c در شکل نشان داده شده است.2d-f نشان می دهد که تنگستن و کربن به طور یکنواخت مخلوط شده اند (توزیع مشابهی را نشان می دهد) روی سطح الکترود و کامپوزیت به طور یکنواخت رسوب نمی کند.با توجه به ماهیت روش بارش.
تصاویر SEM ذرات HWO (a) و ذرات HWO-C76 (b).نقشه برداری EDX بارگذاری شده به HWO-C76 در UCC با استفاده از ناحیه در تصویر (c) توزیع تنگستن (d)، کربن (e) و اکسیژن (f) را در نمونه نشان می دهد.
HR-TEM برای تصویربرداری با بزرگنمایی بالا و اطلاعات کریستالوگرافی استفاده شد (شکل 3).HWO مورفولوژی نانو مکعب را همانطور که در شکل 3a نشان داده شده و به وضوح در شکل 3b نشان داده شده است.با بزرگنمایی نانومکعب برای پراش یک ناحیه انتخاب شده، ساختار توری و صفحات پراش مطابق با قانون براگ را می توان همانطور که در شکل 3c نشان داده شده است، مشاهده کرد و بلورینگی ماده را تایید کرد.در قسمت داخلی شکل 3c فاصله d 3.3 Å مربوط به صفحات پراش (022) و (620) در فازهای WO3(H2O) 0.333 و W32O84، 43، 44، 49، به ترتیب نشان داده شده است.این با تجزیه و تحلیل XRD فوق (شکل 1b) مطابقت دارد زیرا فاصله صفحه توری مشاهده شده d (شکل 3c) با قوی ترین پیک XRD در نمونه HWO مطابقت دارد.حلقه های نمونه نیز در شکل نشان داده شده است.3d، که در آن هر حلقه مربوط به یک صفحه جداگانه است.صفحات WO3(H2O)0.333 و W32O84 به ترتیب به رنگ سفید و آبی هستند و پیک های XRD مربوط به آنها نیز در شکل 1b نشان داده شده است.اولین حلقه نشان داده شده در الگوی حلقه مربوط به اولین پیک مشخص شده در الگوی اشعه ایکس صفحه پراش (022) یا (620) است.از حلقه های (022) تا (402)، d-فاصله های 3.30، 3.17، 2.38، 1.93 و 1.69 Å یافت شد که با مقادیر XRD 3.30، 3.17، 2.45، 1.66 و 1.1 مطابقت دارد.Å، 44، 45، به ترتیب.
(الف) تصویر HR-TEM از HWO، (ب) یک تصویر بزرگ شده را نشان می دهد.تصاویر صفحات توری در (c) نشان داده شده است، و قسمت داخلی (c) یک تصویر بزرگ شده از صفحات و فاصله d 0.33 نانومتر مربوط به صفحات (002) و (620) را نشان می دهد.(د) الگوی حلقه HWO که صفحات مرتبط با فازهای WO3(H2O)0.333 (سفید) و W32O84 (آبی) را نشان می دهد.
تجزیه و تحلیل XPS برای تعیین شیمی سطح و وضعیت اکسیداسیون تنگستن انجام شد (شکل S1 و 4).طیف اسکن XPS با دامنه وسیع HWO سنتز شده در شکل نشان داده شده است.S1، نشان دهنده وجود تنگستن است.طیف اسکن باریک XPS سطوح اصلی W 4f و O 1s در شکل ها نشان داده شده است.4a و b به ترتیب.طیف W 4f به دو دوتایی مدار چرخشی مربوط به انرژی اتصال حالت اکسیداسیون W تقسیم می‌شود. پیک‌های W 4f5/2 و W 4f7/2 در انرژی‌های اتصال 37.8 و 35.6 eV متعلق به W6+ هستند، و قله‌های W. 4f5/2 و W 4f7/2 در 36.6 و 34.9 eV به ترتیب مشخصه حالت W4+ هستند.حضور حالت اکسیداسیون (W4+) بیشتر تشکیل WO2.63 غیر استوکیومتری را تایید می کند، در حالی که حضور W6+ نشان دهنده WO3 استوکیومتری ناشی از WO3(H2O)0.333 است.داده های برازش نشان داد که درصد اتمی W6+ و W4+ به ترتیب 85% و 15% بود که با توجه به تفاوت بین دو فناوری، نسبتاً نزدیک به مقادیر تخمین زده شده از داده های XRD بود.هر دو روش اطلاعات کمی را با دقت پایین به خصوص XRD ارائه می دهند.علاوه بر این، این دو روش بخش‌های مختلف ماده را تجزیه و تحلیل می‌کنند، زیرا XRD یک روش حجیم است در حالی که XPS یک روش سطحی است که تنها به چند نانومتر نزدیک می‌شود.طیف O 1s به دو قله در 533 (22.2٪) و 530.4 eV (77.8٪) تقسیم می شود.اولی مربوط به OH و دومی مربوط به پیوندهای اکسیژن در شبکه در WO است.حضور گروه های عاملی OH با خواص هیدراتاسیون HWO مطابقت دارد.
آنالیز FTIR نیز بر روی این دو نمونه برای بررسی حضور گروه‌های عاملی و مولکول‌های آب هماهنگ در ساختار هیدراته HWO انجام شد.نتایج نشان می‌دهد که نمونه HWO-50% C76 و نتایج FT-IR HWO به دلیل وجود HWO یکسان به نظر می‌رسند، اما شدت پیک‌ها به دلیل مقادیر مختلف نمونه مورد استفاده در طول آماده‌سازی برای تجزیه و تحلیل متفاوت است (شکل 5a) ).HWO-50% C76 تمام پیک های فولرن 24 به جز پیک اکسید تنگستن نشان داده شده است.به تفصیل در شکلشکل 5a نشان می دهد که هر دو نمونه یک نوار پهن بسیار قوی در ~710/cm نشان می دهند که به ارتعاشات کششی OWO در ساختار شبکه HWO نسبت داده می شود و یک شانه قوی در ~840/cm به WO نسبت داده می شود.نوار تیز در ~1610/cm مربوط به ارتعاش خمشی OH است و نوار جذب گسترده در ~3400/cm مربوط به ارتعاش کششی OH در گروه هیدروکسیل است.این نتایج با طیف XPS در شکل 4b سازگار است، جایی که گروه عاملی WO می‌تواند مکان‌های فعالی را برای واکنش VO2+/VO2+ فراهم کند.
تجزیه و تحلیل FTIR از HWO و HWO-50٪ C76 (a) گروه های عملکردی و اندازه گیری های زاویه تماس (b، c) را نشان می دهد.
گروه OH همچنین می تواند واکنش VO2+/VO2+ را کاتالیز کند، در نتیجه آب دوستی الکترود را افزایش داده و در نتیجه سرعت انتشار و انتقال الکترون را افزایش می دهد.نمونه HWO-50% C76 یک پیک اضافی C76 را همانطور که در شکل نشان داده شده است نشان می دهد.پیک های ~2905، 2375، 1705، 1607 و 1445 سانتی متر مکعب را می توان به ترتیب به ارتعاشات کششی CH، O=C=O، C=O، C=C و CO نسبت داد.به خوبی شناخته شده است که گروه های عاملی اکسیژن C=O و CO می توانند به عنوان مراکز فعال برای واکنش های ردوکس وانادیوم عمل کنند.برای آزمایش و مقایسه ترشوندگی دو الکترود، از اندازه گیری زاویه تماس همانطور که در شکل 5b، c نشان داده شده است استفاده شد.الکترود HWO فوراً قطرات آب را جذب می‌کند که نشان‌دهنده ابرآب دوستی به دلیل وجود گروه‌های عاملی OH است.HWO-50% C76 آبگریزتر است، با زاویه تماس حدود 135 درجه بعد از 10 ثانیه.با این حال، در اندازه گیری های الکتروشیمیایی، الکترود HWO-50% C76 در کمتر از یک دقیقه کاملا خیس شد.اندازه‌گیری‌های ترشوندگی با نتایج XPS و FTIR مطابقت دارند و نشان می‌دهند که گروه‌های OH بیشتر روی سطح HWO باعث آب‌دوست‌تر شدن آن می‌شود.
واکنش‌های VO2+/VO2+ نانوکامپوزیت‌های HWO و HWO-C76 مورد آزمایش قرار گرفتند و انتظار می‌رفت که HWO تکامل گاز کلر را که در طی واکنش‌های VO2+/VO2+ در اسیدهای مخلوط رخ می‌دهد، سرکوب کند، در حالی که C76 VO2+/VO2 مورد نظر را بیشتر کاتالیز کند.سوسپانسیون های HWO حاوی 10، 30 درصد و 50 درصد C76 روی الکترودهای UCC با بار کلی حدود 2 میلی گرم بر سانتی متر مربع اعمال شد.
همانطور که در شکل نشان داده شده است.6، سینتیک واکنش VO2+/VO2+ روی سطح الکترود با استفاده از CV در الکترولیت‌های اسیدی مخلوط مورد بررسی قرار گرفت.برای تسهیل مقایسه ΔEp و Ipa/Ipc، جریان ها به صورت I/Ipa نشان داده می شوند.کاتالیزورهای مختلف مستقیماً از شکل بدست می آیند.داده های واحد مساحت فعلی در شکل 2S نشان داده شده است.روی انجیرشکل 6a نشان می دهد که HWO سرعت انتقال الکترون واکنش ردوکس VO2+/VO2+ را در سطح الکترود کمی افزایش می دهد و واکنش تکامل کلر انگلی را سرکوب می کند.با این حال، C76 به طور قابل توجهی سرعت انتقال الکترون را افزایش می دهد و واکنش تکامل کلر را کاتالیز می کند.بنابراین یک کمپلکس با ترکیب صحیح HWO و C76 باید بهترین فعالیت و بالاترین توانایی در مهار واکنش کلر را داشته باشد.مشخص شد که پس از افزایش محتوای C76، فعالیت الکتروشیمیایی الکترود بهبود یافته است، همانطور که با کاهش ΔEp و افزایش نسبت Ipa/Ipc مشهود است (جدول S3).این همچنین توسط مقادیر RCT استخراج شده از نمودار Nyquist در شکل 6d (جدول S3) تأیید شد، جایی که مشخص شد مقادیر RCT با افزایش محتوای C76 کاهش می‌یابد.این نتایج همچنین با مطالعه لی مطابقت دارد که در آن افزودن کربن مزو متخلخل به WO3 مزو متخلخل، سینتیک انتقال بار در VO2+/VO2+35 را بهبود بخشید.این نشان می دهد که یک واکنش مثبت ممکن است بیشتر به رسانایی الکترود (پیوند C=C) بستگی داشته باشد 18،24،35،36،37.با توجه به تغییر در هندسه هماهنگی بین [VO(H2O)5]2+ و [VO2(H2O)4]+، C76 همچنین می تواند با کاهش انرژی بافت، فشار بیش از حد پاسخ را کاهش دهد.با این حال، این ممکن است با الکترودهای HWO امکان پذیر نباشد.
(الف) رفتار ولتامتری چرخه‌ای کامپوزیت‌های UCC و HWO-C76 با نسبت‌های مختلف HWO:C76 در واکنش‌های VO2+/VO2+ در الکترولیت 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl (در ν = 5 mV/s).(ب) Randles-Sevchik و (ج) روش نیکلسون VO2+/VO2+ برای تخمین راندمان انتشار و بدست آوردن مقادیر k0 (d).
نه تنها HWO-50% C76 تقریباً همان فعالیت الکتروکاتالیستی C76 را برای واکنش VO2+/VO2+ نشان داد، بلکه جالب‌تر، تکامل گاز کلر را در مقایسه با C76 سرکوب کرد، همانطور که در شکل نشان داده شده است.6a، علاوه بر نشان دادن نیم دایره کوچکتر در شکل.6 گرم (RCT پایین تر).C76 Ipa/Ipc ظاهری بالاتری نسبت به HWO-50% C76 نشان داد (جدول S3)، نه به دلیل بهبود برگشت پذیری واکنش، بلکه به دلیل همپوشانی با پیک کاهش کلر در 1.2 V در مقایسه با SHE.بهترین عملکرد HWO-50% C76 به هم افزایی بین C76 بسیار رسانا با بار منفی و قابلیت ترشوندگی بالا و عملکردهای کاتالیزوری W-OH بر روی HWO نسبت داده می شود.در حالی که انتشار کمتر کلر راندمان شارژ سلول کامل را بهبود می بخشد، سینتیک بهبود یافته باعث افزایش کارایی ولتاژ سلول کامل می شود.
طبق معادله S1، برای یک واکنش شبه برگشت پذیر (انتقال نسبتا کند الکترون) که توسط انتشار کنترل می شود، جریان پیک (IP) به تعداد الکترون ها (n)، سطح الکترود (A)، ضریب انتشار (D)، تعداد بستگی دارد. ضریب انتقال الکترون (α) و سرعت روبش (ν).به منظور مطالعه رفتار کنترل شده با انتشار مواد آزمایش شده، رابطه بین IP و ν1/2 رسم شد و در شکل 6b نشان داده شد.از آنجایی که همه مواد یک رابطه خطی نشان می دهند، واکنش توسط انتشار کنترل می شود.از آنجایی که واکنش VO2+/VO2+ شبه برگشت پذیر است، شیب خط به ضریب انتشار و مقدار α (معادله S1) بستگی دارد.با توجه به ضریب انتشار ثابت (≈ 4 × 10-6 cm2/s)52، تفاوت در شیب خط مستقیماً مقادیر مختلف α و در نتیجه نرخ های مختلف انتقال الکترون به سطح الکترود را نشان می دهد، با C76 و HWO -50. % C76، تندترین شیب ها را نشان می دهد (بالاترین سرعت انتقال الکترون).
شیب های واربورگ با فرکانس پایین محاسبه شده (W) نشان داده شده در جدول S3 (شکل 6d) دارای مقادیر نزدیک به 1 برای همه مواد است که نشان دهنده انتشار کامل ذرات ردوکس و تایید رفتار خطی IP در مقابل ν1/2 برای CV است.اندازه گیری ها .برای HWO-50% C76، شیب واربورگ از یکپارچگی به 1.32 منحرف می‌شود، که نشان‌دهنده سهمی نه تنها از انتشار نیمه نامتناهی واکنش‌دهنده‌ها (VO2+)، بلکه احتمالاً رفتار لایه نازک در رفتار انتشار به دلیل تخلخل الکترود است.
برای تجزیه و تحلیل بیشتر برگشت‌پذیری (سرعت انتقال الکترون) واکنش ردوکس VO2+/VO2+، از روش واکنش شبه برگشت‌پذیر نیکلسون نیز برای تعیین ثابت سرعت k041.42 استفاده شد.این کار با ترسیم پارامتر جنبشی بدون بعد Ψ به عنوان تابعی از ΔEp به عنوان تابعی از ν-1/2 با استفاده از معادله S2 انجام می شود.جدول S4 مقادیر Ψ حاصل را برای هر ماده الکترود نشان می دهد.نتایج (شکل 6c) را رسم کنید تا k0 × 104 سانتی متر بر ثانیه (که در کنار هر ردیف نوشته شده و در جدول S4 ارائه شده است) با استفاده از معادله S3 برای شیب هر نمودار به دست آورید.HWO-50% C76 دارای بیشترین شیب (شکل 6c) و از این رو بالاترین مقدار k0 2.47 × 10-4 سانتی متر بر ثانیه بود.این بدان معنی است که این الکترود سریعترین سینتیک را مطابق با نتایج CV و EIS در شکلهای 6a و d و جدول S3 ارائه می دهد.علاوه بر این، مقادیر k0 نیز از نمودارهای Nyquist (شکل 6d) معادله S4 با استفاده از مقادیر RCT (جدول S3) به دست آمد.این نتایج k0 از EIS در جدول S4 خلاصه شده است و همچنین نشان می دهد که HWO-50% C76 بالاترین سرعت انتقال الکترون را به دلیل اثر هم افزایی نشان می دهد.اگرچه مقدار k0 به دلیل منشاء متفاوت هر روش متفاوت است، اما همچنان همان ترتیب بزرگی را نشان می دهد و سازگاری را نشان می دهد.
برای درک کامل سینتیک عالی که می توان به آن دست یافت، مقایسه مواد بهینه الکترود با الکترودهای UCC و TCC عایق نشده مهم است.برای واکنش VO2+/VO2+، HWO-C76 نه تنها کمترین ΔEp و برگشت پذیری بهتر را نشان داد، بلکه به طور قابل توجهی واکنش تکامل کلر انگلی را در مقایسه با TCC سرکوب کرد، همانطور که با افت جریان قابل توجه در 1.45 ولت در مقایسه با OHA نشان داده شد (شکل 2). 7 الف).از نظر پایداری، ما فرض کردیم که HWO-50% C76 از نظر فیزیکی پایدار است زیرا کاتالیزور با یک بایندر PVDF مخلوط شده و سپس روی الکترودهای پارچه کربنی اعمال شده است.در مقایسه با 50 میلی ولت برای UCC، HWO-50% C76 پیک جابجایی 44 میلی ولت را پس از 150 سیکل نشان داد (نرخ تخریب 0.29 میلی ولت در چرخه) (شکل 7b).ممکن است تفاوت زیادی نداشته باشد، اما سینتیک الکترودهای UCC بسیار کند است و با دوچرخه‌سواری کاهش می‌یابد، به خصوص برای واکنش برگشتی.اگرچه برگشت پذیری TCC بسیار بهتر از UCC است، اما مشخص شد که TCC پس از 150 چرخه دارای یک تغییر پیک بزرگ 73 میلی ولت است که ممکن است به دلیل مقدار زیادی کلر آزاد شده از سطح آن باشد.برای اطمینان از اینکه کاتالیزور به خوبی به سطح الکترود می چسبد.همانطور که در تمام الکترودهای آزمایش شده مشاهده می شود، حتی الکترودهایی که کاتالیزورهای پشتیبانی شده ندارند، درجات مختلفی از بی ثباتی چرخه را نشان می دهند، که نشان می دهد تغییرات در جداسازی پیک در طول چرخه به دلیل غیرفعال شدن مواد به دلیل تغییرات شیمیایی است تا جداسازی کاتالیزور.همچنین، اگر مقدار زیادی از ذرات کاتالیزور از سطح الکترود جدا شوند، این امر منجر به افزایش قابل توجهی در جداسازی پیک می‌شود (نه تنها با 44 میلی‌ولت)، زیرا بستر (UCC) نسبتاً غیرفعال برای VO2+/VO2+ است. واکنش ردوکس
مقایسه CV (a) و پایداری واکنش ردوکس VO2+/VO2+ (b) ماده الکترود بهینه با توجه به CCC.در الکترولیت 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl، تمام CV ها برابر با ν = 5 mV/s هستند.
برای افزایش جذابیت اقتصادی فناوری VRFB، بهبود و درک سینتیک واکنش ردوکس وانادیم برای دستیابی به راندمان انرژی بالا ضروری است.کامپوزیت های HWO-C76 تهیه و اثر الکتروکاتالیستی آنها بر واکنش VO2+/VO2+ مورد مطالعه قرار گرفت.HWO افزایش جنبشی کمی را نشان داد اما به طور قابل توجهی تکامل کلر را در الکترولیت‌های اسیدی مخلوط سرکوب کرد.نسبت های مختلف HWO:C76 برای بهینه سازی بیشتر سینتیک الکترودهای مبتنی بر HWO استفاده شد.افزایش محتوای C76 به HWO می‌تواند سینتیک انتقال الکترون واکنش VO2+/VO2+ را بر روی الکترود اصلاح‌شده بهبود بخشد، در این میان HWO-50% C76 بهترین ماده است زیرا مقاومت انتقال بار را کاهش می‌دهد و تکامل گاز کلر را در مقایسه با آن کاهش می‌دهد. C76.و TCC منتشر می شوند.این به دلیل اثر هم افزایی بین هیبریداسیون C=C sp2، گروه های عاملی OH و W-OH بود.نرخ تخریب HWO-50% C76 0.29mV/چرخه تحت چرخه چندگانه مشخص شد در حالی که UCC و TCC به ترتیب 0.33mV/چرخه و 0.49mV/چرخه هستند که آن را در الکترولیت های اسیدی مخلوط بسیار پایدار می کند.نتایج ارائه شده با موفقیت مواد الکترود با کارایی بالا را برای واکنش VO2+/VO2+ با سینتیک سریع و پایداری بالا شناسایی می‌کند.این امر ولتاژ خروجی را افزایش می دهد و در نتیجه راندمان توان VRFB را بهبود می بخشد و در نتیجه هزینه تجاری سازی آینده آن را کاهش می دهد.
مجموعه داده های مورد استفاده و/یا تجزیه و تحلیل شده در مطالعه حاضر در صورت درخواست معقول از نویسندگان مربوطه در دسترس است.
لودرر جی و همکارانبرآورد نیروی باد و خورشید در سناریوهای جهانی انرژی کم کربن: مقدمه.اقتصاد انرژی.64، 542-551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. and Kim, H. تجزیه و تحلیل اثر رسوب MnO2 بر عملکرد باتری های جریان ردوکس وانادیم منگنز.J. الکتروشیمی.جامعه.165(5)، A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
شاه، AA، Tangirala، R.، Singh، R.، ویلز، RGA و Walsh، مدل سلول واحد دینامیک FK برای یک باتری جریان ردوکس تمام وانادیوم.J. الکتروشیمی.جامعه.158 (6)، A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi، YA، Aaron، DS، Zawodzinski، TA، و Mench، MM یک مدل اندازه‌گیری و تأیید توزیع پتانسیل درجا برای یک باتری جریان ردوکس تمام وانادیوم.J. الکتروشیمی.جامعه.163(1)، A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima، S. and Suzuki، T. مدل‌سازی و شبیه‌سازی یک باتری ردوکس وانادیوم با یک میدان شار بین رقمی برای بهینه‌سازی ساختار الکترود.J. الکتروشیمی.جامعه.167(2)، 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun، B. و Skillas-Kazakos، M. اصلاح مواد الکترود گرافیت برای کاربرد در باتری‌های ردوکس وانادیوم - I. عملیات حرارتی.الکتروشیمیActa 37 (7)، 1253-1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
لیو، تی، لی، اس.، ژانگ، اچ، و چن، جی. پیشرفت در مواد الکترود برای بهبود چگالی توان در باتری‌های جریان وانادیوم (VFBs).جی شیمی انرژی.27 (5)، 1292-1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
لیو، QH و همکاران.سلول جریان ردوکس وانادیوم با کارایی بالا با پیکربندی الکترود بهینه و انتخاب غشاء.J. الکتروشیمی.جامعه.159(8)، A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., and Yang, K. الکترودهای کاتالیست نانولوله کربنی کامپوزیت با پشتیبانی از نمد کربن برای کاربردهای باتری ردوکس وانادیوم.J. منبع تغذیه.220، 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y., and Kwon, Y. اثر سولفات بیسموت رسوب‌شده بر نانولوله‌های کربنی اسیدی شده بر عملکرد باتری‌های جریان ردوکس وانادیوم.J. الکتروشیمی.جامعه.166(12)، A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
هوانگ، R.-H.صبر کن.الکترودهای فعال اصلاح شده با نانولوله های کربنی پلاتین/چند جداره برای باتری های جریان ردوکس وانادیوم.J. الکتروشیمی.جامعه.159(10)، A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
اما، S. et al.باتری جریان ردوکس وانادیوم از الکتروکاتالیست‌هایی استفاده می‌کند که با نانولوله‌های کربنی آغشته به نیتروژن به دست آمده از داربست‌های آلی فلزی تزئین شده‌اند.J. الکتروشیمی.جامعه.165(7)، A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
خان، پی و همکاران.نانوصفحات اکسید گرافن به عنوان مواد فعال الکتروشیمیایی عالی برای جفت‌های ردوکس VO2+/ و V2+/V3+ برای باتری‌های جریان ردوکس وانادیوم.کربن 49 (2)، 693-700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
گونزالس، زی و همکاران.عملکرد الکتروشیمیایی عالی نمد گرافیت اصلاح شده با گرافن برای باتری های ردوکس وانادیوم.J. منبع تغذیه.338، 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
فیلم‌های نانودیوار کربنی González Z.، Vizirianu S.، Dinescu G.، Blanco S. و Santamaria R. به عنوان مواد الکترود نانوساختار در باتری‌های جریان ردوکس وانادیوم.انرژی نانو 1(6)، 833-839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO، Nankya R.، Lee J. و Yung H. نمد کربن مزو متخلخل اصلاح شده با گرافن سه بعدی برای باتری های جریان ردوکس وانادیوم با کارایی بالا.الکتروشیمیقانون 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).