ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงผลเว็บไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
โปรแกรมแสดงภาพสไลด์แบบหมุนเวียน แสดงภาพสามภาพพร้อมกัน ใช้ปุ่ม "ก่อนหน้า" และ "ถัดไป" เพื่อเลื่อนดูสไลด์ทีละสามภาพ หรือใช้ปุ่มเลื่อนที่ด้านท้ายเพื่อเลื่อนดูสไลด์ทีละสามภาพ
ต้นทุนที่ค่อนข้างสูงของแบตเตอรี่รีดอกซ์แบบไหลผ่านวาเนเดียมทั้งหมด (VRFB) จำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย การปรับปรุงจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อเพิ่มกำลังจำเพาะและประสิทธิภาพพลังงานของ VRFB ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงของ VRFB ในงานวิจัยนี้ อนุภาคนาโนของทังสเตนออกไซด์ไฮเดรตที่สังเคราะห์ด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอล (HWO) C76 และ C76/HWO ถูกนำไปเคลือบลงบนอิเล็กโทรดผ้าคาร์บอนและทดสอบเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าสำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนสนามปล่อย (FESEM), สเปกโทรสโกปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDX), กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HR-TEM), การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD), สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (XPS), สเปกโทรสโกปีฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรด (FTIR) และการวัดมุมสัมผัส จากการศึกษาพบว่า การเติมฟูลเลอรีน C76 ลงใน HWO สามารถปรับปรุงจลนศาสตร์ของอิเล็กโทรดได้โดยการเพิ่มการนำไฟฟ้าและให้หมู่ฟังก์ชันออกซิไดซ์บนพื้นผิว ซึ่งจะช่วยส่งเสริมปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน VO2+/VO2+ สารประกอบ HWO/C76 (C76 50% โดยน้ำหนัก) พิสูจน์แล้วว่าเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ โดยมีค่า ΔEp เท่ากับ 176 mV ในขณะที่ผ้าคาร์บอนที่ไม่ผ่านการบำบัด (UCC) มีค่า 365 mV นอกจากนี้ สารประกอบ HWO/C76 ยังแสดงผลยับยั้งอย่างมีนัยสำคัญต่อปฏิกิริยาการเกิดคลอรีนที่ไม่พึงประสงค์เนื่องจากหมู่ฟังก์ชัน W-OH
กิจกรรมของมนุษย์ที่เข้มข้นและการปฏิวัติอุตสาหกรรมที่รวดเร็วส่งผลให้ความต้องการใช้ไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างไม่หยุดยั้ง โดยเพิ่มขึ้นประมาณ 3% ต่อปี¹ เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่การใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างแพร่หลายเป็นแหล่งพลังงานได้นำไปสู่การปล่อยก๊าซเรือนกระจกซึ่งมีส่วนทำให้เกิดภาวะโลกร้อน มลพิษทางน้ำและอากาศ และคุกคามระบบนิเวศทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ จึงคาดว่าการใช้พลังงานสะอาดและพลังงานหมุนเวียนอย่างลมและแสงอาทิตย์จะสูงถึง 75% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมดภายในปี 2050¹ อย่างไรก็ตาม เมื่อสัดส่วนของไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเกิน 20% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมด ระบบไฟฟ้าก็จะเริ่มไม่เสถียร
ในบรรดาระบบกักเก็บพลังงานทั้งหมด เช่น แบตเตอรี่ไฮบริดวานาเดียมรีดอกซ์โฟลว์2 แบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์โฟลว์ (VRFB) ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วที่สุดเนื่องจากมีข้อดีหลายประการและถือเป็นทางออกที่ดีที่สุดสำหรับการกักเก็บพลังงานในระยะยาว (ประมาณ 30 ปี) เมื่อใช้ร่วมกับพลังงานหมุนเวียน4 ทั้งนี้เนื่องจากการแยกกำลังและความหนาแน่นของพลังงาน การตอบสนองที่รวดเร็ว อายุการใช้งานที่ยาวนาน และต้นทุนรายปีที่ค่อนข้างต่ำที่ 65 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลวัตต์ชั่วโมง เมื่อเทียบกับ 93-140 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลวัตต์ชั่วโมงสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่ตะกั่วกรด และ 279-420 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงตามลำดับ4
อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในวงกว้างยังคงถูกจำกัดด้วยต้นทุนการลงทุนของระบบที่ค่อนข้างสูง โดยส่วนใหญ่เกิดจากชุดเซลล์4,5 ดังนั้น การปรับปรุงประสิทธิภาพของชุดเซลล์โดยการเพิ่มจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาครึ่งธาตุทั้งสองสามารถลดขนาดของชุดเซลล์และลดต้นทุนได้ ดังนั้น การถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็วไปยังพื้นผิวอิเล็กโทรดจึงเป็นสิ่งจำเป็น ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ องค์ประกอบ และโครงสร้างของอิเล็กโทรด และต้องมีการปรับให้เหมาะสมอย่างระมัดระวัง6 แม้ว่าอิเล็กโทรดคาร์บอนจะมีเสถียรภาพทางเคมีและไฟฟ้าที่ดี และมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี แต่จลนศาสตร์ที่ไม่ผ่านการปรับปรุงนั้นช้าเนื่องจากไม่มีหมู่ฟังก์ชันออกซิเจนและคุณสมบัติชอบน้ำ7,8 ดังนั้น จึงมีการรวมตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าต่างๆ เข้ากับอิเล็กโทรดที่ใช้คาร์บอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงสร้างนาโนคาร์บอนและโลหะออกไซด์ เพื่อปรับปรุงจลนศาสตร์ของอิเล็กโทรดทั้งสอง ซึ่งจะช่วยเพิ่มจลนศาสตร์ของอิเล็กโทรด VRFB ได้
นอกเหนือจากงานวิจัยก่อนหน้านี้เกี่ยวกับ C76 เราได้รายงานถึงกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมของฟูลเลอรีนนี้สำหรับการถ่ายโอนประจุ VO2+/VO2+ เป็นครั้งแรก เมื่อเปรียบเทียบกับผ้าคาร์บอนที่ผ่านการอบด้วยความร้อนและไม่ผ่านการอบด้วยความร้อน ความต้านทานลดลง 99.5% และ 97% ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของวัสดุคาร์บอนสำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ เมื่อเปรียบเทียบกับ C76 แสดงอยู่ในตาราง S1 ในทางกลับกัน ออกไซด์โลหะหลายชนิด เช่น CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 และ WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37 ถูกนำมาใช้เนื่องจากความสามารถในการเปียกที่เพิ่มขึ้นและฟังก์ชันออกซิเจนที่อุดมสมบูรณ์ , 38 กิจกรรมเร่งปฏิกิริยาของออกไซด์โลหะเหล่านี้ในปฏิกิริยา VO2+/VO2+ แสดงอยู่ในตาราง S2 WO3 ถูกนำมาใช้ในงานวิจัยจำนวนมากเนื่องจากมีต้นทุนต่ำ มีเสถียรภาพสูงในสภาวะกรด และมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาสูง31,32,33,34,35,36,37,38 อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงจลนศาสตร์ของแคโทดเนื่องจาก WO3 นั้นไม่มีนัยสำคัญ เพื่อปรับปรุงการนำไฟฟ้าของ WO3 จึงมีการทดสอบผลของการใช้ทังสเตนออกไซด์ที่ลดลง (W18O49) ต่อกิจกรรมของแคโทด38 ทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HWO) ยังไม่เคยถูกทดสอบในการใช้งาน VRFB แม้ว่าจะแสดงกิจกรรมที่เพิ่มขึ้นในการใช้งานซูเปอร์คาปาซิเตอร์เนื่องจากการแพร่กระจายของแคตไอออนที่เร็วกว่าเมื่อเทียบกับ WOx ที่ปราศจากน้ำ39,40 แบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์โฟลว์รุ่นที่สามใช้อิเล็กโทรไลต์กรดผสมที่ประกอบด้วย HCl และ H2SO4 เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และปรับปรุงความสามารถในการละลายและความเสถียรของไอออนวานาเดียมในอิเล็กโทรไลต์ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาการเกิดคลอรีนที่ไม่พึงประสงค์ได้กลายเป็นหนึ่งในข้อเสียของเครื่องยนต์ดีเซลรุ่นที่สาม ดังนั้นการค้นหาวิธีการยับยั้งปฏิกิริยาการเกิดคลอรีนจึงกลายเป็นจุดสนใจของกลุ่มวิจัยหลายกลุ่ม
ในที่นี้ ได้ทำการทดสอบปฏิกิริยา VO2+/VO2+ บนวัสดุคอมโพสิต HWO/C76 ที่เคลือบอยู่บนอิเล็กโทรดผ้าคาร์บอน เพื่อหาสมดุลระหว่างการนำไฟฟ้าของวัสดุคอมโพสิตและจลนศาสตร์รีดอกซ์ของพื้นผิวอิเล็กโทรด ในขณะเดียวกันก็ยับยั้งการเกิดคลอรีนที่ไม่พึงประสงค์ (CER) อนุภาคนาโนของทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HWO) ถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยวิธีไฮโดรเทอร์มอลแบบง่ายๆ การทดลองดำเนินการในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม (H2SO4/HCl) เพื่อจำลอง VRFB รุ่นที่สาม (G3) เพื่อความเหมาะสมในการใช้งานและเพื่อตรวจสอบผลของ HWO ต่อปฏิกิริยาการเกิดคลอรีนที่ไม่พึงประสงค์
ในงานวิจัยนี้ได้ใช้วาเนเดียม(IV) ซัลเฟตไฮเดรต (VOSO4, 99.9%, Alfa-Aeser), กรดซัลฟิวริก (H2SO4), กรดไฮโดรคลอริก (HCl), ไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF, Sigma-Aldrich), โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF, Sigma-Aldrich), โซเดียมทังสเตนออกไซด์ไดไฮเดรต (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) และผ้าคาร์บอนไฮโดรฟิลิก ELAT (Fuel Cell Store)
ทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HWO) ถูกเตรียมโดยปฏิกิริยาไฮโดรเทอร์มอล 43 โดยละลายเกลือ Na2WO4 2 กรัมในน้ำ 12 มิลลิลิตร เพื่อให้ได้สารละลายใส จากนั้นเติม HCl 2 M 12 มิลลิลิตรลงไปทีละหยดเพื่อให้ได้สารแขวนลอยสีเหลืองอ่อน นำสารละลายใส่ในหม้ออัดความดันสแตนเลสเคลือบเทฟลอนและอบในเตาอบที่อุณหภูมิ 180°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมงเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาไฮโดรเทอร์มอล เก็บกากที่เหลือโดยการกรอง ล้าง 3 ครั้งด้วยเอทานอลและน้ำ อบแห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 70°C ประมาณ 3 ชั่วโมง แล้วบดให้ละเอียดเพื่อให้ได้ผง HWO สีเทาอมน้ำเงิน
อิเล็กโทรดผ้าคาร์บอน (CCT) ที่ได้มา (ไม่ผ่านการบำบัด) ถูกนำมาใช้โดยตรงหรือผ่านการบำบัดด้วยความร้อนในเตาเผาท่อที่อุณหภูมิ 450°C ในอากาศด้วยอัตราการให้ความร้อน 15 ºC/นาที เป็นเวลา 10 ชั่วโมง เพื่อให้ได้ CC ที่ผ่านการบำบัด (TCC) ดังที่อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้า24 UCC และ TCC ถูกตัดเป็นอิเล็กโทรดที่มีความกว้างประมาณ 1.5 ซม. และยาว 7 ซม. สารแขวนลอยของ C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 และ HWO-50% C76 ถูกเตรียมโดยการเติมสารยึดเกาะ PVDF 20 มก.% (~2.22 มก.) ลงใน DMF ประมาณ 1 มล. และทำการอัลตราโซนิคเป็นเวลา 1 ชั่วโมงเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอ สารประกอบ C76, HWO และ HWO-C76 จำนวน 2 มก. ถูกนำไปใช้กับพื้นที่ใช้งานของอิเล็กโทรด UCC ที่มีขนาดประมาณ 1.5 ซม.² ตามลำดับ ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดถูกบรรจุลงบนอิเล็กโทรด UCC และใช้ TCC เพื่อวัตถุประสงค์ในการเปรียบเทียบเท่านั้น เนื่องจากงานวิจัยก่อนหน้านี้ของเราแสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องมีการบำบัดด้วยความร้อน24 การวางตัวของแม่พิมพ์ทำได้โดยการทาสารแขวนลอย 100 µl (ปริมาณ 2 มก.) เพื่อให้เกิดผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น จากนั้นอิเล็กโทรดทั้งหมดถูกอบแห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 60°C ค้างคืน อิเล็กโทรดถูกวัดทั้งด้านหน้าและด้านหลังเพื่อให้แน่ใจว่ามีการบรรจุสารตั้งต้นอย่างแม่นยำ เพื่อให้มีพื้นที่ทางเรขาคณิตที่แน่นอน (~1.5 cm2) และป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรไลต์วานาเดียมไหลขึ้นไปที่อิเล็กโทรดเนื่องจากผลของแรงดึงดูดของเหลว จึงมีการเคลือบพาราฟินบางๆ ไว้บนวัสดุที่ใช้งานอยู่
ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนด้วยการปล่อยสนามไฟฟ้า (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60, 5 kV) ในการสังเกตสัณฐานวิทยาของพื้นผิว HWO ใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน Feii8SEM (EDX, Zeiss Inc.) ในการสร้างแผนที่องค์ประกอบของ HWO-50%C76 บนอิเล็กโทรด UCC ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HR-TEM, JOEL JEM-2100) ที่ทำงานด้วยแรงดันเร่ง 200 kV ในการถ่ายภาพอนุภาค HWO และวงแหวนการเลี้ยวเบนที่มีความละเอียดสูงขึ้น ซอฟต์แวร์ Crystallography Toolbox (CrysTBox) ใช้ฟังก์ชัน ringGUI ในการวิเคราะห์รูปแบบการเลี้ยวเบนของวงแหวน HWO และเปรียบเทียบผลลัพธ์กับรูปแบบ XRD โครงสร้างและการเกิดกราไฟต์ของ UCC และ TCC ได้รับการวิเคราะห์โดยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) ที่อัตราการสแกน 2.4°/นาที จาก 5° ถึง 70° ด้วย Cu Kα (λ = 1.54060 Å) โดยใช้เครื่องเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ Panalytical (รุ่น 3600) ผลการวิเคราะห์ XRD แสดงให้เห็นโครงสร้างผลึกและเฟสของ HWO ซอฟต์แวร์ PANalytical X'Pert HighScore ถูกใช้เพื่อจับคู่พีคของ HWO กับแผนที่ทังสเตนออกไซด์ที่มีอยู่ในฐานข้อมูล45 ผลลัพธ์ของ HWO ถูกนำมาเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของ TEM องค์ประกอบทางเคมีและสถานะของตัวอย่าง HWO ถูกกำหนดโดยสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific) ซอฟต์แวร์ CASA-XPS (v 2.3.15) ถูกใช้สำหรับการแยกพีคและการวิเคราะห์ข้อมูล เพื่อตรวจสอบหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวของ HWO และ HWO-50%C76 ได้ทำการวัดโดยใช้สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม (FTIR, เครื่องสเปกโทรเมตร Perkin Elmer โดยใช้ KBr FTIR) และเปรียบเทียบผลลัพธ์กับผลลัพธ์จาก XPS นอกจากนี้ยังใช้การวัดมุมสัมผัส (KRUSS DSA25) เพื่อตรวจสอบความสามารถในการเปียกของอิเล็กโทรดด้วย
สำหรับการวัดทางเคมีไฟฟ้าทั้งหมด ใช้เครื่องมือ Biologic SP 300 workstation โดยใช้เทคนิค Cyclic voltammetry (CV) และ Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) เพื่อศึกษาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน VO2+/VO2+ และผลกระทบของการแพร่ของสารตั้งต้น (VOSO4(VO2+)) ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ทั้งสองวิธีใช้เซลล์สามขั้วไฟฟ้าที่มีความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ 0.1 M VOSO4 (V4+) ใน 1 M H2SO4 + 1 M HCl (ส่วนผสมของกรด) ข้อมูลทางเคมีไฟฟ้าทั้งหมดที่นำเสนอได้รับการแก้ไขค่า IR แล้ว ใช้ขั้วไฟฟ้าคาโลเมลอิ่มตัว (SCE) และขดลวดแพลทินัม (Pt) เป็นขั้วอ้างอิงและขั้วตรงข้ามตามลำดับ สำหรับ CV อัตราการสแกน (ν) 5, 20 และ 50 mV/s ถูกนำมาใช้กับช่วงศักย์ VO2+/VO2+ สำหรับ (0–1) V เทียบกับ SCE จากนั้นปรับสำหรับ SHE เพื่อพล็อต (VSCE = 0.242 V เทียบกับ HSE) เพื่อศึกษาการคงอยู่ของกิจกรรมของอิเล็กโทรด จึงทำการทดสอบ CV แบบวนซ้ำที่ ν 5 mV/s สำหรับ UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO และ UCC-HWO-50% C76 สำหรับการวัด EIS ช่วงความถี่ของปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ คือ 0.01-105 Hz และการรบกวนแรงดันไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV) คือ 10 mV การทดลองแต่ละครั้งทำซ้ำ 2-3 ครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์มีความสอดคล้องกัน ค่าคงที่อัตราแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (k0) ได้มาโดยวิธี Nicholson46,47
ทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HVO) ได้รับการสังเคราะห์สำเร็จด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอล ภาพ SEM ในรูปที่ 1a แสดงให้เห็นว่า HVO ที่ตกตะกอนประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคนาโนที่มีขนาดอยู่ในช่วง 25-50 นาโนเมตร
รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ HWO แสดงยอด (001) และ (002) ที่ประมาณ 23.5° และ 47.5° ตามลำดับ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของ WO2.63 ที่ไม่สมดุลทางเคมี (W32O84) (PDF 077–0810, a = 21.4 Å, b = 17.8 Å, c = 3.8 Å, α = β = γ = 90°) ซึ่งสอดคล้องกับสีฟ้าใส (รูปที่ 1b) 48.49 ยอดอื่นๆ ที่ประมาณ 20.5°, 27.1°, 28.1°, 30.8°, 35.7°, 36.7° และ 52.7° ถูกกำหนดให้เป็น (140), (620), ( 350), (720), (740), (560°) ) ) และระนาบการเลี้ยวเบน (970) ตั้งฉากกับ WO2.63 ตามลำดับ วิธีการสังเคราะห์เดียวกันนี้ถูกใช้โดย Songara et al. 43 เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สีขาว ซึ่งเกิดจากการมีอยู่ของ WO3(H2O)0.333 อย่างไรก็ตาม ในงานวิจัยนี้ เนื่องจากสภาวะที่แตกต่างกัน จึงได้ผลิตภัณฑ์สีน้ำเงินเทา ซึ่งบ่งชี้ว่ามี WO3(H2O)0.333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7.7 Å, α = β = γ = 90°) และทังสเตนออกไซด์ในรูปแบบที่ลดลง การวิเคราะห์เชิงปริมาณโดยใช้ซอฟต์แวร์ X'Pert HighScore แสดงให้เห็นว่ามี WO3(H2O)0.333 26% และ W32O84 74% เนื่องจาก W32O84 ประกอบด้วย W6+ และ W4+ (1.67:1 W6+:W4+) ปริมาณโดยประมาณของ W6+ และ W4+ จึงอยู่ที่ประมาณ 72% W6+ และ 28% W4+ ตามลำดับ ภาพ SEM, สเปกตรัม XPS 1 วินาทีที่ระดับนิวเคลียส, ภาพ TEM, สเปกตรัม FTIR และสเปกตรัม Raman ของอนุภาค C76 ได้ถูกนำเสนอในบทความก่อนหน้าของเรา ตามที่ Kawada et al.50,51 ระบุไว้ การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของ C76 หลังจากการกำจัดโทลูอีนแสดงให้เห็นโครงสร้างโมโนคลินิกของ FCC
ภาพ SEM ในรูปที่ 2a และ 2b แสดงให้เห็นว่า HWO และ HWO-50%C76 ถูกเคลือบลงบนและระหว่างเส้นใยคาร์บอนของอิเล็กโทรด UCC ได้สำเร็จ แผนที่องค์ประกอบ EDX ของทังสเตน คาร์บอน และออกซิเจนในภาพ SEM ในรูปที่ 2c แสดงอยู่ในรูปที่ 2d-f ซึ่งบ่งชี้ว่าทังสเตนและคาร์บอนผสมกันอย่างสม่ำเสมอ (แสดงการกระจายตัวที่คล้ายกัน) ทั่วทั้งพื้นผิวอิเล็กโทรด และวัสดุคอมโพสิตไม่ได้ถูกเคลือบอย่างสม่ำเสมอเนื่องจากลักษณะของวิธีการเคลือบ
ภาพ SEM ของอนุภาค HWO ที่ตกตะกอน (a) และอนุภาค HWO-C76 (b) การวิเคราะห์องค์ประกอบด้วย EDX บน HWO-C76 ที่บรรจุบน UCC โดยใช้พื้นที่ในภาพ (c) แสดงการกระจายตัวของทังสเตน (d) คาร์บอน (e) และออกซิเจน (f) ในตัวอย่าง
HR-TEM ถูกใช้สำหรับการถ่ายภาพที่มีกำลังขยายสูงและข้อมูลทางผลึกศาสตร์ (รูปที่ 3) HWO แสดงสัณฐานวิทยาของนาโนคิวบ์ดังแสดงในรูปที่ 3a และชัดเจนยิ่งขึ้นในรูปที่ 3b โดยการขยายนาโนคิวบ์เพื่อการเลี้ยวเบนของพื้นที่ที่เลือก สามารถมองเห็นโครงสร้างตะแกรงและระนาบการเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกับกฎของแบร็กก์ ดังแสดงในรูปที่ 3c ซึ่งยืนยันความเป็นผลึกของวัสดุ ในภาพแทรกของรูปที่ 3c แสดงระยะทาง d 3.3 Å ที่สอดคล้องกับระนาบการเลี้ยวเบน (022) และ (620) ที่พบในเฟส WO3(H2O)0.333 และ W32O84 ตามลำดับ43,44,49 ซึ่งสอดคล้องกับการวิเคราะห์ XRD ที่อธิบายไว้ข้างต้น (รูปที่ 1b) เนื่องจากระยะทางระนาบตะแกรงที่สังเกตได้ d (รูปที่ 3c) สอดคล้องกับยอด XRD ที่แข็งแกร่งที่สุดในตัวอย่าง HWO วงแหวนตัวอย่างก็แสดงอยู่ในรูปด้วย 3d โดยแต่ละวงแหวนสอดคล้องกับระนาบที่แยกจากกัน ระนาบ WO3(H2O)0.333 และ W32O84 ถูกระบายสีขาวและสีน้ำเงินตามลำดับ และยอด XRD ที่สอดคล้องกันก็แสดงอยู่ในรูปที่ 1b ด้วย วงแหวนแรกที่แสดงในแผนภาพวงแหวนสอดคล้องกับยอดที่ทำเครื่องหมายไว้แรกในรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของระนาบการเลี้ยวเบน (022) หรือ (620) จากวงแหวน (022) ถึง (402) ค่าระยะห่าง d คือ 3.30, 3.17, 2.38, 1.93 และ 1.69 Å ซึ่งสอดคล้องกับค่า XRD ที่ 3.30, 3.17, 2.45, 1.93 และ 1.66 Å ซึ่งเท่ากับ 44 และ 45 ตามลำดับ
(a) ภาพ HR-TEM ของ HWO (b) แสดงภาพขยาย (c) แสดงภาพระนาบของตะแกรง โดยภาพแทรกใน (c) แสดงภาพขยายของระนาบและระยะห่าง d เท่ากับ 0.33 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับระนาบ (002) และ (620) (d) รูปแบบวงแหวนของ HWO แสดงระนาบที่เกี่ยวข้องกับ WO3(H2O)0.333 (สีขาว) และ W32O84 (สีน้ำเงิน)
การวิเคราะห์ XPS ดำเนินการเพื่อตรวจสอบเคมีพื้นผิวและสถานะออกซิเดชันของทังสเตน (รูปที่ S1 และ 4) สเปกตรัมการสแกน XPS ช่วงกว้างของ HWO ที่สังเคราะห์ขึ้นแสดงในรูปที่ S1 ซึ่งบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของทังสเตน สเปกตรัมการสแกน XPS แบบแคบของระดับแกน W 4f และ O 1s แสดงในรูปที่ 4a และ 4b ตามลำดับ สเปกตรัม W 4f แยกออกเป็นสองคู่สปิน-ออร์บิตที่สอดคล้องกับพลังงานพันธะของสถานะออกซิเดชันของ W และ W 4f7/2 ที่ 36.6 และ 34.9 eV เป็นลักษณะเฉพาะของสถานะ W4+ ตามลำดับ ข้อมูลที่ได้จากการปรับให้เหมาะสมแสดงให้เห็นว่าเปอร์เซ็นต์อะตอมของ W6+ และ W4+ คือ 85% และ 15% ตามลำดับ ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่ประมาณจากข้อมูล XRD โดยพิจารณาถึงความแตกต่างระหว่างสองวิธี ทั้งสองวิธีให้ข้อมูลเชิงปริมาณที่มีความแม่นยำต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง XRD นอกจากนี้ วิธีทั้งสองนี้วิเคราะห์ส่วนต่างๆ ของวัสดุที่แตกต่างกัน เนื่องจาก XRD เป็นวิธีการวิเคราะห์แบบรวม ในขณะที่ XPS เป็นวิธีการวิเคราะห์พื้นผิวซึ่งมีความละเอียดเพียงไม่กี่นาโนเมตร สเปกตรัม O 1s แบ่งออกเป็นสองยอดที่ 533 (22.2%) และ 530.4 eV (77.8%) ยอดแรกสอดคล้องกับ OH และยอดที่สองสอดคล้องกับพันธะออกซิเจนในโครงสร้างผลึกของ WO การมีอยู่ของหมู่ฟังก์ชัน OH สอดคล้องกับคุณสมบัติการดูดซับน้ำของ HWO
นอกจากนี้ยังได้ทำการวิเคราะห์ FTIR กับตัวอย่างทั้งสองนี้เพื่อตรวจสอบการมีอยู่ของหมู่ฟังก์ชันและโมเลกุลน้ำที่ประสานกันในโครงสร้าง HWO ที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าตัวอย่าง HWO-50% C76 และผลลัพธ์ FT-IR ของ HWO มีลักษณะคล้ายกันเนื่องจากการมีอยู่ของ HWO แต่ความเข้มของยอดพีคแตกต่างกันเนื่องจากปริมาณตัวอย่างที่ใช้ในการเตรียมการวิเคราะห์แตกต่างกัน (รูปที่ 5a) HWO-50% C76 แสดงให้เห็นว่ายอดพีคทั้งหมด ยกเว้นยอดพีคของทังสเตนออกไซด์ เกี่ยวข้องกับฟูลเลอรีน 24 รายละเอียดในรูปที่ 5a แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างทั้งสองแสดงแถบกว้างที่แข็งแรงมากที่ ~710/cm ซึ่งเกิดจากการสั่นแบบยืดของ OWO ในโครงสร้างแลตติสของ HWO โดยมีไหล่ที่แข็งแรงที่ ~840/cm ซึ่งเกิดจาก WO สำหรับการสั่นแบบยืด แถบที่คมชัดที่ประมาณ 1610/cm เกิดจากการสั่นแบบดัดงอของ OH ในขณะที่แถบการดูดกลืนที่กว้างที่ประมาณ 3400/cm เกิดจากการสั่นแบบยืดของ OH ในกลุ่มไฮดรอกซิล43 ผลลัพธ์เหล่านี้สอดคล้องกับสเปกตรัม XPS ในรูปที่ 4b ซึ่งกลุ่มฟังก์ชัน WO สามารถให้ตำแหน่งที่ใช้งานสำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ได้
การวิเคราะห์ FTIR ของ HWO และ HWO-50% C76 (a) ระบุกลุ่มฟังก์ชันและการวัดมุมสัมผัส (b, c)
หมู่ OH ยังสามารถเร่งปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ได้ ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความชอบน้ำของอิเล็กโทรด ซึ่งจะช่วยส่งเสริมอัตราการแพร่และการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ดังที่แสดงไว้ ตัวอย่าง HWO-50% C76 แสดงยอดพีคเพิ่มเติมสำหรับ C76 ยอดพีคที่ ~2905, 2375, 1705, 1607 และ 1445 cm3 สามารถกำหนดให้เป็นการสั่นแบบยืดของ CH, O=C=O, C=O, C=C และ CO ตามลำดับ เป็นที่ทราบกันดีว่าหมู่ฟังก์ชันออกซิเจน C=O และ CO สามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางที่ใช้งานสำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันของวาเนเดียม เพื่อทดสอบและเปรียบเทียบความสามารถในการเปียกของอิเล็กโทรดทั้งสอง จึงได้ทำการวัดมุมสัมผัส ดังแสดงในรูปที่ 5b,c อิเล็กโทรด HWO ดูดซับหยดน้ำทันที ซึ่งบ่งชี้ถึงความชอบน้ำสูงมากเนื่องจากมีหมู่ฟังก์ชัน OH อยู่ HWO-50% C76 มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำมากกว่า โดยมีมุมสัมผัสประมาณ 135° หลังจาก 10 วินาที อย่างไรก็ตาม ในการวัดทางเคมีไฟฟ้า อิเล็กโทรด HWO-50%C76 กลับเปียกชุ่มอย่างสมบูรณ์ในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที การวัดความเปียกชุ่มนี้สอดคล้องกับผลลัพธ์จาก XPS และ FTIR ซึ่งบ่งชี้ว่าหมู่ OH บนพื้นผิว HWO ที่มากขึ้นทำให้มีคุณสมบัติชอบน้ำมากขึ้น
ได้ทำการทดสอบปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ของ HWO และนาโนคอมโพสิต HWO-C76 และคาดว่า HWO จะยับยั้งการเกิดคลอรีนในปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ในกรดผสม และ C76 จะเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน VO2+/VO2+ ที่ต้องการต่อไป โดยใช้ C76 ในสารละลายแขวนลอย HWO ที่ความเข้มข้น 30% และ 50% และ CCC ที่เคลือบลงบนอิเล็กโทรดด้วยปริมาณรวมประมาณ 2 มก./ซม.²
ดังแสดงในรูปที่ 6 จลวิทยาของปฏิกิริยา VO2+/VO2+ บนพื้นผิวอิเล็กโทรดได้รับการตรวจสอบโดย CV ในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม กระแสไฟฟ้าแสดงในรูป I/Ipa เพื่อให้ง่ายต่อการเปรียบเทียบ ΔEp และ Ipa/Ipc สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาต่างๆ โดยตรงบนกราฟ ข้อมูลหน่วยพื้นที่กระแสไฟฟ้าแสดงในรูปที่ 2S ในรูปที่ 6a แสดงให้เห็นว่า HWO เพิ่มอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน VO2+/VO2+ บนพื้นผิวอิเล็กโทรดเล็กน้อยและยับยั้งปฏิกิริยาการเกิดคลอรีนที่ไม่พึงประสงค์ อย่างไรก็ตาม C76 เพิ่มอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างมีนัยสำคัญและเร่งปฏิกิริยาการเกิดคลอรีน ดังนั้น คาดว่าสารประกอบ HWO และ C76 ที่ได้รับการคิดค้นสูตรอย่างเหมาะสมจะมีกิจกรรมที่ดีที่สุดและมีความสามารถในการยับยั้งปฏิกิริยาการเกิดคลอรีนได้ดีที่สุด พบว่าหลังจากเพิ่มปริมาณ C76 แล้ว กิจกรรมทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรดดีขึ้น ดังที่เห็นได้จากการลดลงของ ΔEp และการเพิ่มขึ้นของอัตราส่วน Ipa/Ipc (ตาราง S3) ซึ่งได้รับการยืนยันโดยค่า RCT ที่ได้จากกราฟ Nyquist ในรูปที่ 6d (ตาราง S3) ซึ่งพบว่าลดลงเมื่อปริมาณ C76 เพิ่มขึ้น ผลลัพธ์เหล่านี้ยังสอดคล้องกับการศึกษาของ Li ซึ่งการเติมคาร์บอนมีรูพรุนขนาดกลางลงใน WO3 มีรูพรุนขนาดกลางแสดงให้เห็นถึงจลนศาสตร์การถ่ายโอนประจุที่ดีขึ้นบน VO2+/VO2+35 สิ่งนี้บ่งชี้ว่าปฏิกิริยาโดยตรงอาจขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรด (พันธะ C=C) มากขึ้น 18, 24, 35, 36, 37 นอกจากนี้ยังอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในรูปทรงเรขาคณิตการประสานงานระหว่าง [VO(H2O)5]2+ และ [VO2(H2O)4]+ โดย C76 ช่วยลดแรงดันไฟฟ้าเกินของปฏิกิริยาโดยการลดพลังงานของเนื้อเยื่อ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้อาจใช้ไม่ได้กับอิเล็กโทรด HWO
(a) พฤติกรรมโวลแทมเมตริกแบบวัฏจักร (ν = 5 mV/s) ของปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ของ UCC และสารประกอบ HWO-C76 ที่มีอัตราส่วน HWO:C76 ต่างกันในอิเล็กโทรไลต์ 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl (b) วิธี Randles-Sevchik และ (c) วิธี Nicholson VO2+/VO2+ เพื่อประเมินประสิทธิภาพการแพร่และหาค่า k0(d)
นอกจาก HWO-50% C76 จะแสดงกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเกือบเท่ากับ C76 สำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ แล้ว ที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นคือ มันยังช่วยยับยั้งการเกิดคลอรีนได้ดีกว่า C76 ดังแสดงในรูปที่ 6a และยังแสดงวงกลมครึ่งวงที่เล็กกว่าในรูปที่ 6d (RCT ที่ต่ำกว่า) C76 แสดงค่า Ipa/Ipc ที่สูงกว่า HWO-50% C76 (ตาราง S3) ไม่ใช่เพราะความสามารถในการย้อนกลับของปฏิกิริยาที่ดีขึ้น แต่เป็นเพราะการทับซ้อนกันของจุดสูงสุดของปฏิกิริยาลดคลอรีนกับ SHE ที่ 1.2 V ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของ HWO-50% C76 เกิดจากผลเสริมฤทธิ์กันระหว่าง C76 ที่มีประจุลบและนำไฟฟ้าสูง กับความสามารถในการเปียกน้ำสูงและฟังก์ชันการเร่งปฏิกิริยา W-OH บน HWO การปล่อยคลอรีนที่น้อยลงจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จของเซลล์ทั้งหมด ในขณะที่จลนศาสตร์ที่ดีขึ้นจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ทั้งหมด
ตามสมการ S1 สำหรับปฏิกิริยาแบบกึ่งผันกลับได้ (การถ่ายโอนอิเล็กตรอนค่อนข้างช้า) ที่ควบคุมโดยการแพร่ กระแสสูงสุด (IP) ขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน (n) พื้นที่ของอิเล็กโทรด (A) สัมประสิทธิ์การแพร่ (D) สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนจำนวนอิเล็กตรอน (α) และความเร็วในการสแกน (ν) เพื่อศึกษาพฤติกรรมที่ควบคุมโดยการแพร่ของวัสดุที่ทดสอบ ความสัมพันธ์ระหว่าง IP และ ν1/2 ถูกพล็อตและนำเสนอในรูปที่ 6b เนื่องจากวัสดุทั้งหมดแสดงความสัมพันธ์เชิงเส้น ปฏิกิริยาจึงถูกควบคุมโดยการแพร่ เนื่องจากปฏิกิริยา VO2+/VO2+ เป็นแบบกึ่งผันกลับได้ ความชันของเส้นจึงขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์การแพร่และค่าของ α (สมการ S1) เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การแพร่มีค่าคงที่ (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52 ความแตกต่างในความชันของเส้นตรงจึงบ่งชี้ถึงค่า α ที่แตกต่างกันโดยตรง และด้วยเหตุนี้จึงบ่งชี้ถึงอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ซึ่งแสดงให้เห็นสำหรับ C76 และ HWO -50% C76 ที่มีความชันสูงที่สุด (อัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสูงสุด)
ค่าความชันของ Warburg (W) ที่คำนวณสำหรับความถี่ต่ำที่แสดงในตาราง S3 (รูปที่ 6d) มีค่าใกล้เคียง 1 สำหรับวัสดุทั้งหมด ซึ่งบ่งชี้ถึงการแพร่กระจายอย่างสมบูรณ์ของสารรีดอกซ์ และยืนยันพฤติกรรมเชิงเส้นของ IP เมื่อเทียบกับ ν1/2 CV ที่วัดได้ สำหรับ HWO-50% C76 ค่าความชันของ Warburg เบี่ยงเบนจาก 1 เป็น 1.32 ซึ่งบ่งชี้ถึงการแพร่กระจายแบบกึ่งอนันต์ของสารรีเอเจนต์ (VO2+) และอาจมีส่วนร่วมของพฤติกรรมชั้นบางต่อพฤติกรรมการแพร่กระจายเนื่องจากความพรุนของอิเล็กโทรดด้วย
เพื่อวิเคราะห์ความสามารถในการย้อนกลับ (อัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอน) ของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน VO2+/VO2+ เพิ่มเติม จึงใช้วิธีปฏิกิริยาแบบกึ่งย้อนกลับของนิโคลสันในการกำหนดค่าคงที่อัตรามาตรฐาน k041.42 โดยใช้สมการ S2 ในการสร้างพารามิเตอร์จลนศาสตร์ไร้มิติ Ψ ซึ่งเป็นฟังก์ชันของ ΔEp เป็นฟังก์ชันของ ν-1/2 ตาราง S4 แสดงค่า Ψ ที่ได้สำหรับวัสดุอิเล็กโทรดแต่ละชนิด ผลลัพธ์ (รูปที่ 6c) ถูกนำมาพล็อตเพื่อหาค่า k0 × 10⁻⁴ cm/s จากความชันของแต่ละกราฟโดยใช้สมการ S3 (เขียนไว้ข้างแต่ละแถวและแสดงในตาราง S4) พบว่า HWO-50% C76 มีความชันสูงสุด (รูปที่ 6c) ดังนั้นค่า k0 สูงสุดคือ 2.47 × 10⁻⁴ cm/s นี่หมายความว่าอิเล็กโทรดนี้มีจลนศาสตร์ที่เร็วที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ CV และ EIS ในรูปที่ 6a และ d และในตาราง S3 นอกจากนี้ ค่า k0 ยังได้มาจากกราฟ Nyquist (รูปที่ 6d) ของสมการ S4 โดยใช้ค่า RCT (ตาราง S3) ผลลัพธ์ k0 จาก EIS เหล่านี้สรุปไว้ในตาราง S4 และยังแสดงให้เห็นว่า HWO-50% C76 มีอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสูงสุดเนื่องจากผลเสริมฤทธิ์กัน แม้ว่าค่า k0 จะแตกต่างกันเนื่องจากแหล่งที่มาที่แตกต่างกันของแต่ละวิธี แต่ก็ยังแสดงลำดับขนาดเดียวกันและแสดงความสอดคล้องกัน
เพื่อให้เข้าใจจลนศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมที่ได้รับอย่างถ่องแท้ จำเป็นต้องเปรียบเทียบวัสดุอิเล็กโทรดที่เหมาะสมที่สุดกับอิเล็กโทรด UCC และ TCC ที่ไม่มีการเคลือบ สำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ นั้น HWO-C76 ไม่เพียงแต่แสดงค่า ΔEp ที่ต่ำที่สุดและความสามารถในการย้อนกลับที่ดีกว่าเท่านั้น แต่ยังยับยั้งปฏิกิริยาการเกิดคลอรีนที่ไม่พึงประสงค์ได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ TCC ดังที่วัดได้จากกระแสที่ 1.45 V เทียบกับ SHE (รูปที่ 7a) ในแง่ของความเสถียร เราสันนิษฐานว่า HWO-50% C76 มีความเสถียรทางกายภาพเนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาถูกผสมกับสารยึดเกาะ PVDF แล้วนำไปใช้กับอิเล็กโทรดผ้าคาร์บอน HWO-50% C76 แสดงการเลื่อนจุดสูงสุด 44 mV (อัตราการเสื่อมสภาพ 0.29 mV/รอบ) หลังจาก 150 รอบเมื่อเทียบกับ 50 mV สำหรับ UCC (รูปที่ 7b) ความแตกต่างนี้อาจไม่มากนัก แต่จลนศาสตร์ของอิเล็กโทรด UCC นั้นช้ามากและเสื่อมสภาพลงเมื่อมีการใช้งานซ้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปฏิกิริยาย้อนกลับ แม้ว่าความสามารถในการย้อนกลับของ TCC จะดีกว่า UCC มาก แต่พบว่า TCC มีการเลื่อนของยอดพีคมากถึง 73 mV หลังจาก 150 รอบ ซึ่งอาจเกิดจากคลอรีนจำนวนมากที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยายึดติดกับพื้นผิวอิเล็กโทรดได้ดี ดังที่เห็นได้จากอิเล็กโทรดทั้งหมดที่ทดสอบ แม้แต่อิเล็กโทรดที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาแบบรองรับก็ยังแสดงความไม่เสถียรในการใช้งานซ้ำในระดับต่างๆ กัน ซึ่งบ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงในการแยกยอดพีคในระหว่างการใช้งานซ้ำนั้นเกิดจากการเสื่อมสภาพของวัสดุที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีมากกว่าการแยกตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ หากอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนมากแยกตัวออกจากพื้นผิวอิเล็กโทรด จะส่งผลให้การแยกยอดพีคเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (ไม่เพียงแค่ 44 mV) เนื่องจากสารตั้งต้น (UCC) ค่อนข้างไม่ทำงานสำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน VO2+/VO2+
การเปรียบเทียบ CV ของวัสดุอิเล็กโทรดที่ดีที่สุดกับ UCC (a) และความเสถียรของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน VO2+/VO2+ (b) ν = 5 mV/s สำหรับ CV ทั้งหมดในอิเล็กโทรไลต์ 0.1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl
เพื่อเพิ่มความน่าสนใจทางเศรษฐกิจของเทคโนโลยี VRFB การขยายและทำความเข้าใจจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันของวาเนเดียมเป็นสิ่งสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพพลังงานสูง ได้มีการเตรียมสารประกอบ HWO-C76 และศึกษาผลเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าของสารประกอบเหล่านี้ต่อปฏิกิริยา VO2+/VO2+ HWO แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของจลนศาสตร์เพียงเล็กน้อยในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม แต่สามารถยับยั้งการเกิดคลอรีนได้อย่างมีนัยสำคัญ ได้มีการใช้สัดส่วนต่างๆ ของ HWO:C76 เพื่อปรับปรุงจลนศาสตร์ของอิเล็กโทรดที่ใช้ HWO ให้ดียิ่งขึ้น การเพิ่มปริมาณ C76 ใน HWO ช่วยปรับปรุงจลนศาสตร์การถ่ายโอนอิเล็กตรอนของปฏิกิริยา VO2+/VO2+ บนอิเล็กโทรดที่ดัดแปลง โดย HWO-50% C76 เป็นวัสดุที่ดีที่สุด เนื่องจากช่วยลดความต้านทานการถ่ายโอนประจุและยับยั้งการเกิดคลอรีนได้มากกว่า C76 และสารเคลือบ TCC ทั้งนี้เป็นผลมาจากผลเสริมฤทธิ์กันระหว่างการผสมแบบ sp2 ของ C=C, หมู่ฟังก์ชัน OH และ W-OH พบว่าอัตราการเสื่อมสภาพหลังจากการใช้งานซ้ำหลายรอบของ HWO-50% C76 อยู่ที่ 0.29 mV/cycle ในขณะที่อัตราการเสื่อมสภาพของ UCC และ TCC อยู่ที่ 0.33 mV/cycle และ 0.49 mV/cycle ตามลำดับ ทำให้มีความเสถียรสูงในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม ผลลัพธ์ที่นำเสนอประสบความสำเร็จในการระบุวัสดุอิเล็กโทรดประสิทธิภาพสูงสำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ที่มีจลนศาสตร์รวดเร็วและมีความเสถียรสูง ซึ่งจะช่วยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออก ส่งผลให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของ VRFB ดีขึ้น และลดต้นทุนในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในอนาคต
ชุดข้อมูลที่ใช้และ/หรือวิเคราะห์ในการศึกษาครั้งนี้ สามารถขอรับได้จากผู้เขียนแต่ละท่านเมื่อมีการร้องขออย่างสมเหตุสมผล
Luderer G. และคณะ การประมาณการพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ในสถานการณ์พลังงานคาร์บอนต่ำระดับโลก: บทนำ การประหยัดพลังงาน 64, 542–551. https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017)
ลี, เอชเจ, ปาร์ค, เอส. และ คิม, เอช. การวิเคราะห์ผลกระทบของการตกตะกอนของ MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วาเนเดียม/แมงกานีส ลี, เอชเจ, ปาร์ค, เอส. และ คิม, เอช. การวิเคราะห์ผลกระทบของการตกตะกอนของ MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วาเนเดียม/แมงกานีสลี, เอชเจ, ปาร์ค, เอส. และ คิม, เอช. การวิเคราะห์ผลกระทบของการตกตะกอนของ MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมแมงกานีส Lee, HJ, Park, S. & Kim, H. MnO2 沉淀对钒/锰氧化还原液流电池性能影响的分析。 ลี, เอชเจ, ปาร์ค, เอส และ คิม, เอช. MnO2ลี, เอชเจ, ปาร์ค, เอส. และ คิม, เอช. การวิเคราะห์ผลกระทบของการตกตะกอนของ MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมแมงกานีสJ. Electrochemistry. Socialist Party. 165(5), A952-A956. https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA และ Walsh, FC แบบจำลองหน่วยเซลล์แบบไดนามิกสำหรับแบตเตอรี่แบบไหลวาเนเดียมทั้งหมด Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA และ Walsh, FC แบบจำลองหน่วยเซลล์แบบไดนามิกสำหรับแบตเตอรี่แบบไหลวาเนเดียมทั้งหมดShah AA, Tangirala R, Singh R, Wills RG และ Walsh FK แบบจำลองไดนามิกของเซลล์พื้นฐานของแบตเตอรี่แบบไหลวาเนเดียมทั้งหมด Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC 全钒液流电池的动态单元电池模型。 Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC.Shah AA, Tangirala R, Singh R, Wills RG และ Walsh FK แบบจำลองเซลล์ไดนามิกของแบตเตอรี่รีดอกซ์โฟลว์แบบวานาเดียมทั้งหมดJ. Electrochemistry. พรรคสังคมนิยม. 158(6), A671. https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA และ Mench, MM การวัดการกระจายศักยภาพในสถานที่และแบบจำลองที่ได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์แบบวานาเดียมทั้งหมด Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA และ Mench, MM การวัดการกระจายศักยภาพในสถานที่และแบบจำลองที่ได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์แบบวานาเดียมทั้งหมดGandomi, Yu. A., Aaron, DS, Zavodzinski, TA และ Mench, MM การวัดการกระจายศักยภาพในสถานที่และแบบจำลองที่ได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับศักยภาพรีดอกซ์ของแบตเตอรี่แบบไหลเวียนวาเนเดียมทั้งหมด Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA & Mench, MM 全钒氧化还原液流电池的原位电位分布测量和验证模型。 แกนโดมิ, YA, แอรอน, DS, ซาโวดซินสกี้, TA & เมนช์, MM. แบบจำลองการวัดและการตรวจสอบความถูกต้องของการกระจายตัวของศักยภาพของวาเนเดียมออกซิเดสรีดอกซ์Gandomi, Yu. A., Aaron, DS, Zavodzinski, TA และ Mench, MM การวัดและการตรวจสอบแบบจำลองการกระจายศักยภาพในสถานที่สำหรับแบตเตอรี่รีดอกซ์แบบไหลวาเนเดียมทั้งหมดJ. Electrochemistry. Socialist Party. 163(1), A5188-A5201. https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมที่มีสนามการไหลแบบสลับซ้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรด Tsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมที่มีสนามการไหลแบบสลับซ้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรดTsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียมแบบไหลผ่านที่มีการไหลแบบโพลาไรซ์สวนทางเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมของอิเล็กโทรด Tsushima, S. & Suzuki, T. 具有叉指流场的钒氧化还原液流电池的建模和仿真，用于优化电极结构。 Tsushima, S. & Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองสำหรับการปรับโครงสร้างอิเล็กโทรดให้เหมาะสมด้วยการลดวาเนเดียมออกไซด์Tsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมที่มีสนามการไหลแบบพินสวนทางเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างอิเล็กโทรดJ. เคมีไฟฟ้า. พรรคสังคมนิยม. 167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. และ Skyllas-Kazacos, M. การดัดแปลงวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์สำหรับการใช้งานแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียม—ตอนที่ 1 Sun, B. และ Skyllas-Kazacos, M. การดัดแปลงวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์สำหรับการใช้งานแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียม—ตอนที่ 1Sun, B. และ Scyllas-Kazakos, M. การดัดแปลงวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์สำหรับแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียม – ตอนที่ 1 Sun, B. & Skyllas-Kazacos, M. 石墨电极材料在钒氧化还原液流电池应用中的改性——I。 Sun, B. & Skyllas-Kazacos, M. การปรับเปลี่ยนวัสดุอิเล็กโทรดของโลหะวานาเดียมในการใช้งานแบตเตอรี่เหลวออกซิเดชันรีดักชันวานาเดียม——I.Sun, B. และ Scyllas-Kazakos, M. การดัดแปลงวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์เพื่อใช้ในแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียม – ตอนที่ 1การอบชุบด้วยความร้อน Electrochem. Acta 37(7), 1253-1260. https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, X., Zhang, H. และ Chen, J. ความก้าวหน้าของวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่วานาเดียมฟลูอิด (VFBs) ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้น Liu, T., Li, X., Zhang, H. และ Chen, J. ความก้าวหน้าของวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่วานาเดียมฟลูอิด (VFBs) ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นLiu, T., Li, X., Zhang, H. และ Chen, J. ความก้าวหน้าของวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่วานาเดียมฟลูอิด (VFB) ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้น Liu, T., Li, X., Zhang, H. & Chen, J. แชร์ หลิว ต. หลี่ เอ็กซ์ จาง เอช และเฉิน เจ.Liu, T., Li, S., Zhang, H. และ Chen, J. ความก้าวหน้าของวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์โฟลว์ (VFB) ที่มีความหนาแน่นพลังงานเพิ่มขึ้นJ. Energy Chemistry. 27(5), 1292-1303. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH และคณะ เซลล์ไหลรีดอกซ์วานาเดียมประสิทธิภาพสูงด้วยการกำหนดค่าอิเล็กโทรดและการเลือกเมมเบรนที่เหมาะสม J. Electrochemistry. Socialist Party. 159(8), A1246-A1252. https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012)
Wei, G., Jia, C., Liu, J. และ Yan, C. ขั้วไฟฟ้าคอมโพสิตตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่รองรับด้วยแผ่นคาร์บอนเฟลต์สำหรับการใช้งานในแบตเตอรี่รีดอกซ์โฟลว์วานาเดียม Wei, G., Jia, C., Liu, J. และ Yan, C. ขั้วไฟฟ้าคอมโพสิตตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่รองรับด้วยแผ่นคาร์บอนเฟลต์สำหรับการใช้งานในแบตเตอรี่รีดอกซ์โฟลว์วานาเดียมWei, G., Jia, Q., Liu, J. และ Yang, K. ตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรดคอมโพสิตที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์บนพื้นผิวคาร์บอนเฟลต์สำหรับใช้ในแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียม Wei, G., Jia, C., Liu, J. & Yan, C. 用于钒氧化还原液流电池应用的碳毡负载碳纳米管催化剂复合电极。 Wei, G., Jia, C., Liu, J. และ Yan, C. ขั้วไฟฟ้าคอมโพสิตตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่บรรจุบนแผ่นใยคาร์บอนสำหรับการใช้งานในแบตเตอรี่ไหลของเหลวออกซิเดชันรีดักชันของวานาเดียมWei, G., Jia, Q., Liu, J. และ Yang, K. ขั้วไฟฟ้าคอมโพสิตของตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนนาโนทิวบ์กับพื้นผิวคาร์บอนเฟลต์สำหรับการใช้งานในแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียมJ. Power. 220, 185–192. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. และ Kwon, Y. ผลของการเคลือบบิสมัทซัลเฟตบน CNT ที่เป็นกรดต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์ฟลอว์ Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. และ Kwon, Y. ผลของการเคลือบบิสมัทซัลเฟตบน CNT ที่เป็นกรดต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์ฟลอว์Moon, S., Kwon, BW, Chang, Y. และ Kwon, Y. อิทธิพลของบิสมัทซัลเฟตที่ตกตะกอนบน CNT ที่ถูกออกซิไดซ์ต่อคุณลักษณะของแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียมแบบไหลผ่าน Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. 涂在酸化CNT 上的硫酸铋对钒氧化还原液流电池性能的影响。 Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. และ Kwon, Y. ผลของบิสมัทซัลเฟตต่อการออกซิเดชันของ CNT ที่มีผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่แบบไหลของเหลวออกซิเดชันรีดักชันของวาเนเดียมMoon, S., Kwon, BW, Chang, Y. และ Kwon, Y. อิทธิพลของบิสมัทซัลเฟตที่ตกตะกอนบน CNT ที่ถูกออกซิไดซ์ต่อคุณลักษณะของแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียมแบบไหลผ่านJ. Electrochemistry. พรรคสังคมนิยม. 166(12), A2602. https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang R.-H. ขั้วไฟฟ้าแอคทีฟที่ดัดแปลงด้วย Pt/คาร์บอนนาโนทิวบ์หลายชั้นสำหรับแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียม J. Electrochemistry. Socialist Party. 159(10), A1579. https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Kahn, S. และคณะ แบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่ประดับด้วยนาโนทิวบ์คาร์บอนที่เจือไนโตรเจนซึ่งได้มาจากโครงสร้างออร์กาโนเมทัลลิก J. Electrochemistry. Socialist Party. 165(7), A1388. https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. และคณะ แผ่นนาโนกราฟีนออกไซด์ทำหน้าที่เป็นวัสดุที่ออกฤทธิ์ทางไฟฟ้าเคมีที่ยอดเยี่ยมสำหรับคู่รีดอกซ์ VO2+/ และ V2+/V3+ ในแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลูอิดวาเนเดียม Carbon 49(2), 693–700. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011)
Gonzalez Z. และคณะ ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีที่โดดเด่นของแผ่นกราไฟต์ที่ดัดแปลงด้วยกราฟีนสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียม J. Power. 338, 155-162. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017)
González, Z., Vizireanu, S., Dinescu, G., Blanco, C. และ Santamaría, R. ฟิล์มบางนาโนวอลล์คาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียม González, Z., Vizireanu, S., Dinescu, G., Blanco, C. และ Santamaría, R. ฟิล์มบางนาโนวอลล์คาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมGonzález Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco C. และ Santamaria R. ฟิล์มบางของผนังนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่รีดอกซ์ฟลอว์วานาเดียมGonzález Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. และ Santamaria R. ฟิล์มนาโนวอลล์คาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่รีดอกซ์โฟลว์วานาเดียม Nano Energy 1(6), 833–839. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012)
Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. และ Jung, H. แผ่นคาร์บอนเฟลต์ดัดแปลงด้วยกราฟีนมีรูพรุนสามมิติสำหรับแบตเตอรี่ไหลเวียนรีดอกซ์วานาเดียมประสิทธิภาพสูง Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. และ Jung, H. แผ่นคาร์บอนเฟลต์ดัดแปลงด้วยกราฟีนมีรูพรุนสามมิติสำหรับแบตเตอรี่ไหลเวียนรีดอกซ์วานาเดียมประสิทธิภาพสูงOpar DO, Nankya R., Lee J. และ Yung H. แผ่นคาร์บอนมีรูพรุนแบบสามมิติที่ดัดแปลงด้วยกราฟีนสำหรับแบตเตอรี่ไหลเวียนรีดอกซ์วานาเดียมประสิทธิภาพสูง Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. & Jung, H. 用于高性能钒氧化还原液流电池的三维介孔石墨烯改性碳毡。 Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. & Jung, H.Opar DO, Nankya R., Lee J. และ Yung H. แผ่นคาร์บอนมีรูพรุนแบบสามมิติที่ดัดแปลงด้วยกราฟีนสำหรับแบตเตอรี่ไหลเวียนรีดอกซ์วานาเดียมประสิทธิภาพสูงElectrochem. Act 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).