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意大利理工學(xué)院Sebastiano Bellani課題組--通過快速低壓組合氣體等離子處理生產(chǎn)的石墨烯電極用于釩氧化還原液流電池

具有高能效（EEs）的高功率密度釩氧化還原液流電池（VRFBs）的開發(fā)對于這種儲能技術(shù)的廣泛傳播至關(guān)重要。在這項工作中，我們報告了用于VRFB電極的新型分級碳納米材料的生產(chǎn)，該材料對釩氧化還原反應(yīng)（VO²⁺/VO²⁺和V²⁺/V³⁺）具有高催化活性。電極材料是通過在感應(yīng)耦合射頻反應(yīng)器中對石墨氈（GFs）進(jìn)行快速（分鐘級）低壓聯(lián)合氣體等離子體處理來生產(chǎn)的。通過系統(tǒng)地研究純氣體（O₂和N₂）或其組合在不同氣體等離子體壓力下的影響，優(yōu)化了電極以減少其對VRFB氧化還原反應(yīng)的動力學(xué)極化。為了進(jìn)一步提高電極的催化表面積，在聚合物粘合劑的存在下，通過滲透方法將通過高度可擴展的濕噴磨剝離石墨生產(chǎn)的單層/幾層石墨烯結(jié)合到GFs中。根據(jù)質(zhì)子交換膜（Nafion 115或Nafion XL）的厚度，我們優(yōu)化的VRFB配置可以在廣泛的充電/放電電流密度范圍內(nèi)有效運行，表現(xiàn)出高達(dá)93.9%、90.8%、88.3% 的能量效率，在25、50、75、100、200 和 300 mA cm^-2下分別為85.6%、77.6%和69.5%。與商業(yè)技術(shù)（額外電極成本<100 € m^-2）相比，我們的技術(shù)具有成本競爭力，并且顯示出的EEs可與迄今為止報告的高效系統(tǒng)的創(chuàng)紀(jì)錄高值相媲美。我們的工作評論了研究改進(jìn)的等離子體條件或等離子體方法的重要性，以替代先前的報道（例如大氣等離子體），以進(jìn)一步提高當(dāng)前VRFB系統(tǒng)的電極性能。

Figure 1. 原始和等離子體處理的GFs的形態(tài)學(xué)分析。(a) 原始GFs的SEM圖像；(b) O₂-40 Pa；(c) N₂-40 Pa； (d) O₂:N₂ 40 Pa； (e) O₂:N₂ 16 Pa； (f) O₂:N₂ 4 Pa。圖(d)-(f) 包括兩個不同的放大倍數(shù)。

Figure 2. 原始和等離子體處理的GFs的化學(xué)表征。(a) 電極的元素組成。電極中 (b) O和 (c) N的分布。數(shù)據(jù)是根據(jù)XPS光譜（寬掃描、C 1s、O 1s 和 N 1s 光譜）的分析估算

Figure 3. 原始和等離子體處理過的GFs的電化學(xué)表征。

Figure 4. 使用Nafion 115作為質(zhì)子交換膜，基于等離子體處理GFs的VRFBs的電化學(xué)性能。

Figure 5. GF/石墨烯電極的形態(tài)分析。(a, b) 石墨烯-O₂:N₂-4 Pa 電極的橫截面SEM圖像。

相關(guān)研究成果于2021年由意大利理工學(xué)院Sebastiano Bellani課題組，發(fā)表在Chem. Mater.（https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c00763）上。原文：Graphene-Based Electrodes in a Vanadium Redox Flow Battery Produced by Rapid Low-Pressure Combined Gas Plasma Treatments。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號



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