ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS ที่จำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงผลไซต์โดยไม่ใช้รูปแบบและ JavaScript
แถบเลื่อนที่แสดงสไลด์ 3 ภาพพร้อมกัน ใช้ปุ่ม ก่อนหน้า และ ถัดไป เพื่อเลื่อนดูสไลด์ 3 ภาพพร้อมกัน หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนดูสไลด์ 3 ภาพพร้อมกัน
ต้นทุนที่ค่อนข้างสูงของแบตเตอรี่แบบไหลผ่านเรดอกซ์ทั้งหมดที่มีวาเนเดียม (VRFB) ทำให้การใช้งานอย่างแพร่หลายมีข้อจำกัด จำเป็นต้องปรับปรุงจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีเพื่อเพิ่มกำลังจำเพาะและประสิทธิภาพพลังงานของ VRFB จึงจะลดต้นทุน kWh ของ VRFB ได้ ในงานนี้ อนุภาคนาโนทังสเตนออกไซด์ไฮเดรตที่สังเคราะห์ด้วยความร้อนใต้พิภพ (HWO) C76 และ C76/HWO ถูกสะสมบนอิเล็กโทรดผ้าคาร์บอนและทดสอบเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าสำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบปล่อยสนาม (FESEM), สเปกโตรสโคปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDX), กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HR-TEM), การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD), สเปกโตรสโคปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (XPS), สเปกโตรสโคปีการแปลงฟูเรียร์อินฟราเรด (FTIR) และการวัดมุมสัมผัส พบว่าการเติมฟูลเลอรีน C76 ลงใน HWO สามารถปรับปรุงจลนพลศาสตร์ของอิเล็กโทรดได้โดยเพิ่มสภาพการนำไฟฟ้าและให้กลุ่มฟังก์ชันออกซิไดซ์บนพื้นผิว จึงส่งเสริมปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ สารประกอบ HWO/C76 (C76 50% ตามน้ำหนัก) พิสูจน์แล้วว่าเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ โดยมี ΔEp อยู่ที่ 176 mV ในขณะที่ผ้าคาร์บอนที่ไม่ได้รับการบำบัด (UCC) อยู่ที่ 365 mV นอกจากนี้ สารประกอบ HWO/C76 ยังแสดงผลยับยั้งที่สำคัญต่อปฏิกิริยาวิวัฒนาการของคลอรีนปรสิตเนื่องมาจากกลุ่มฟังก์ชัน W-OH
กิจกรรมของมนุษย์ที่เข้มข้นและการปฏิวัติอุตสาหกรรมที่รวดเร็วทำให้ความต้องการไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างไม่หยุดยั้ง ซึ่งเพิ่มขึ้นประมาณ 3% ต่อปี1 เป็นเวลาหลายทศวรรษที่การใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นแหล่งพลังงานทำให้เกิดก๊าซเรือนกระจกซึ่งส่งผลต่อภาวะโลกร้อน มลภาวะทางน้ำและอากาศ คุกคามระบบนิเวศทั้งหมด ส่งผลให้คาดว่าพลังงานลมและแสงอาทิตย์ที่สะอาดและหมุนเวียนได้จะเข้าถึง 75% ของไฟฟ้าทั้งหมดภายในปี 20501 อย่างไรก็ตาม เมื่อสัดส่วนของไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเกิน 20% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมด โครงข่ายไฟฟ้าจะไม่เสถียร
ในบรรดาระบบกักเก็บพลังงานทั้งหมด เช่น แบตเตอรี่ไฮบริดวาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์2 แบตเตอรี่แบบวาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ทั้งหมด (VRFB) ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วที่สุดเนื่องจากมีข้อดีมากมาย และถือเป็นโซลูชันที่ดีที่สุดสำหรับการกักเก็บพลังงานในระยะยาว (ประมาณ 30 ปี) ) ตัวเลือกร่วมกับพลังงานหมุนเวียน4 เนื่องมาจากการแยกพลังงานและความหนาแน่นของพลังงาน การตอบสนองที่รวดเร็ว อายุการใช้งานยาวนาน และต้นทุนประจำปีที่ค่อนข้างต่ำที่ 65 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง เมื่อเทียบกับ 93-140 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงของแบตเตอรี่ลิเธียมไออนและแบตเตอรี่ตะกั่วกรด และ 279-420 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง แบตเตอรี่ตามลำดับ4
อย่างไรก็ตาม การนำออกใช้ในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ยังคงถูกจำกัดด้วยต้นทุนการลงทุนระบบที่ค่อนข้างสูง ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากเซลล์สแต็ก4,5 ดังนั้น การปรับปรุงประสิทธิภาพของสแต็กโดยการเพิ่มจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาของธาตุครึ่งหนึ่งทั้งสองสามารถลดขนาดสแต็กและลดต้นทุนได้ ดังนั้น การถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็วไปยังพื้นผิวของอิเล็กโทรดจึงมีความจำเป็น ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบ องค์ประกอบ และโครงสร้างของอิเล็กโทรด และต้องมีการปรับให้เหมาะสมอย่างระมัดระวัง6 แม้ว่าอิเล็กโทรดคาร์บอนจะมีเสถียรภาพทางเคมีและไฟฟ้าเคมีที่ดีและมีสภาพนำไฟฟ้าที่ดี แต่จลนศาสตร์ที่ไม่ได้รับการบำบัดจะช้าเนื่องจากไม่มีกลุ่มฟังก์ชันออกซิเจนและความชอบน้ำ7,8 ดังนั้น จึงรวมตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าต่างๆ เข้ากับอิเล็กโทรดที่ใช้คาร์บอน โดยเฉพาะโครงสร้างนาโนคาร์บอนและออกไซด์ของโลหะ เพื่อปรับปรุงจลนศาสตร์ของอิเล็กโทรดทั้งสอง ส่งผลให้จลนศาสตร์ของอิเล็กโทรด VRFB เพิ่มขึ้น
นอกเหนือจากงานก่อนหน้านี้ของเราเกี่ยวกับ C76 เราได้รายงานกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมของฟูลเลอรีนนี้สำหรับการถ่ายโอนประจุ VO2+/VO2+ เมื่อเปรียบเทียบกับผ้าคาร์บอนที่ผ่านการอบด้วยความร้อนและไม่ได้ผ่านการอบ ความต้านทานลดลง 99.5% และ 97% ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของวัสดุคาร์บอนสำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ เมื่อเปรียบเทียบกับ C76 แสดงอยู่ในตาราง S1 ในทางกลับกัน ออกไซด์ของโลหะหลายชนิด เช่น CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 และ WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37 ถูกนำมาใช้เนื่องจากความสามารถในการเปียกที่เพิ่มขึ้นและฟังก์ชันออกซิเจนที่อุดมสมบูรณ์ , 38 กลุ่ม กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของออกไซด์ของโลหะเหล่านี้ในปฏิกิริยา VO2+/VO2+ แสดงอยู่ในตาราง S2 WO3 ถูกนำมาใช้ในงานจำนวนมากเนื่องจากมีต้นทุนต่ำ มีความเสถียรสูงในสื่อที่เป็นกรด และมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาสูง31,32,33,34,35,36,37,38 อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงจลนพลศาสตร์แคโทดิกอันเนื่องมาจาก WO3 นั้นไม่มีนัยสำคัญ เพื่อปรับปรุงสภาพการนำไฟฟ้าของ WO3 ผลของการใช้ทังสเตนออกไซด์ที่ลดลง (W18O49) ต่อกิจกรรมแคโทดิกได้รับการทดสอบ38 ทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HWO) ไม่เคยได้รับการทดสอบในแอปพลิเคชัน VRFB แม้ว่าจะแสดงกิจกรรมที่เพิ่มขึ้นในแอปพลิเคชันซูเปอร์คาปาซิเตอร์เนื่องจากการแพร่กระจายของไอออนบวกที่เร็วกว่าเมื่อเทียบกับ WOx ที่ปราศจากน้ำ39,40 แบตเตอรี่ไหลรีดอกซ์วาเนเดียมรุ่นที่ 3 ใช้สารอิเล็กโทรไลต์กรดผสมที่ประกอบด้วย HCl และ H2SO4 เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และปรับปรุงการละลายและความเสถียรของไอออนวาเนเดียมในอิเล็กโทรไลต์ อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาวิวัฒนาการของคลอรีนปรสิตได้กลายมาเป็นข้อเสียอย่างหนึ่งของรุ่นที่สาม ดังนั้น การค้นหาวิธีในการยับยั้งปฏิกิริยาการประเมินคลอรีนจึงได้กลายมาเป็นประเด็นสำคัญของกลุ่มวิจัยหลายกลุ่ม
ที่นี่ ได้มีการทดสอบปฏิกิริยา VO2+/VO2+ กับคอมโพสิต HWO/C76 ที่เคลือบบนอิเล็กโทรดผ้าคาร์บอน เพื่อหาสมดุลระหว่างสภาพนำไฟฟ้าของคอมโพสิตและจลนพลศาสตร์รีดอกซ์ของพื้นผิวอิเล็กโทรดในขณะที่ยับยั้งการวิวัฒนาการของคลอรีนปรสิต การตอบสนอง (CER) นาโนอนุภาคทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HWO) ได้รับการสังเคราะห์โดยวิธีไฮโดรเทอร์มอลแบบง่ายๆ การทดลองดำเนินการในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม (H2SO4/HCl) เพื่อจำลอง VRFB รุ่นที่สาม (G3) สำหรับการใช้งานจริงและเพื่อตรวจสอบผลกระทบของ HWO ต่อปฏิกิริยาวิวัฒนาการของคลอรีนปรสิต
ในการศึกษานี้ใช้วาเนเดียม(IV) ซัลเฟตไฮเดรต (VOSO4, 99.9%, Alfa-Aeser), กรดซัลฟิวริก (H2SO4), กรดไฮโดรคลอริก (HCl), ไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF, Sigma-Aldrich), โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF, Sigma)-Aldrich), โซเดียมทังสเตนออกไซด์ไดไฮเดรต (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) และผ้าคาร์บอนที่ชอบน้ำ ELAT (Fuel Cell Store)
ทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HWO) ถูกเตรียมโดยปฏิกิริยาไฮโดรเทอร์มอล 43 ซึ่งเกลือ Na2WO4 2 กรัมถูกละลายใน H2O 12 มล. เพื่อให้ได้สารละลายไม่มีสี จากนั้นจึงเติม HCl 2 M 12 มล. ลงไปทีละหยดเพื่อให้ได้สารแขวนลอยสีเหลืองอ่อน นำสารละลายไปวางในหม้ออัดไอน้ำสเตนเลสเคลือบเทฟลอนแล้วนำไปอบในเตาอบที่อุณหภูมิ 180°C เป็นเวลา 3 ชั่วโมงเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาไฮโดรเทอร์มอล เก็บสารตกค้างโดยการกรอง ล้างด้วยเอธานอลและน้ำ 3 ครั้ง อบให้แห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 70°C เป็นเวลา ~3 ชั่วโมง จากนั้นบดให้ละเอียดเพื่อให้ได้ผง HWO สีน้ำเงินเทา
ขั้วไฟฟ้าผ้าคาร์บอน (CCT) ที่ได้ (ยังไม่ผ่านการบำบัด) จะถูกนำไปใช้ตามที่เป็นอยู่หรือผ่านการบำบัดความร้อนในเตาเผาแบบท่อที่อุณหภูมิ 450°C ในอากาศด้วยอัตราการให้ความร้อน 15 ºC/นาที เป็นเวลา 10 ชั่วโมง เพื่อให้ได้ CC ที่ผ่านการบำบัด (TCC) ตามที่ได้อธิบายไว้ในบทความก่อนหน้า24 UCC และ TCC ถูกตัดให้เป็นขั้วไฟฟ้าที่มีความกว้างประมาณ 1.5 ซม. และยาว 7 ซม. เตรียมสารแขวนลอยของ C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 และ HWO-50% C76 โดยการเติมสารยึดเกาะ PVDF 20 มก.% (~2.22 มก.) ลงใน DMF ประมาณ 1 มล. แล้วทำการโซนิเคตเป็นเวลา 1 ชั่วโมงเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอ คอมโพสิต C76, HWO และ HWO-C76 2 มก. ถูกนำไปใช้กับพื้นที่ขั้วไฟฟ้าที่ใช้งานของ UCC ประมาณ 1.5 ซม.2 ตามลำดับ ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดถูกโหลดลงบนอิเล็กโทรด UCC และใช้ TCC เพื่อวัตถุประสงค์ในการเปรียบเทียบเท่านั้น เนื่องจากงานก่อนหน้านี้ของเราแสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องให้ความร้อน24 การตกตะกอนของการพิมพ์ทำได้โดยการแปรงสารแขวนลอย 100 µl (โหลด 2 มก.) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอมากขึ้น จากนั้นจึงอบอิเล็กโทรดทั้งหมดให้แห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 60°C ข้ามคืน วัดอิเล็กโทรดไปข้างหน้าและข้างหลังเพื่อให้แน่ใจว่าโหลดสต็อกได้อย่างแม่นยำ เพื่อให้ได้พื้นที่ทางเรขาคณิตที่แน่นอน (~1.5 ซม.2) และป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรไลต์วาเนเดียมลอยขึ้นไปยังอิเล็กโทรดเนื่องจากเอฟเฟกต์แคปิลลารี จึงทาพาราฟินบางๆ ทับบนวัสดุที่ใช้งาน
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบปล่อยสนาม (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60, 5 kV) ถูกใช้เพื่อสังเกตสัณฐานวิทยาพื้นผิวของ HWO เครื่องวัดสเปกตรัมรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงานที่ติดตั้ง Feii8SEM (EDX, Zeiss Inc.) ถูกใช้เพื่อทำแผนที่องค์ประกอบ HWO-50%C76 บนอิเล็กโทรด UCC กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง (HR-TEM, JOEL JEM-2100) ที่ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าเร่ง 200 kV ถูกใช้เพื่อสร้างภาพอนุภาค HWO ที่มีความละเอียดสูงกว่าและวงแหวนการเลี้ยวเบน ซอฟต์แวร์ Crystallography Toolbox (CrysTBox) ใช้ฟังก์ชัน ringGUI เพื่อวิเคราะห์รูปแบบการเลี้ยวเบนของวงแหวน HWO และเปรียบเทียบผลลัพธ์กับรูปแบบ XRD โครงสร้างและการสร้างกราฟิไทเซชันของ UCC และ TCC ได้รับการวิเคราะห์โดยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) ที่อัตราการสแกน 2.4°/นาที จาก 5° ถึง 70° ด้วย Cu Kα (λ = 1.54060 Å) โดยใช้เครื่องเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบพานาไลติคัล (รุ่น 3600) XRD แสดงโครงสร้างผลึกและเฟสของ HWO ใช้ซอฟต์แวร์ PANalytical X'Pert HighScore เพื่อจับคู่จุดสูงสุดของ HWO กับแผนที่ทังสเตนออกไซด์ที่มีอยู่ในฐานข้อมูล45 ผลลัพธ์ของ HWO ถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ของ TEM องค์ประกอบทางเคมีและสถานะของตัวอย่าง HWO ถูกกำหนดโดยสเปกโตรสโคปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific) ใช้ซอฟต์แวร์ CASA-XPS (เวอร์ชัน 2.3.15) สำหรับการดีคอนโวลูชันจุดสูงสุดและการวิเคราะห์ข้อมูล ในการกำหนดกลุ่มฟังก์ชันพื้นผิวของ HWO และ HWO-50%C76 จะทำการวัดโดยใช้สเปกโตรสโคปีอินฟราเรดแบบแปลงฟูเรียร์ (FTIR, Perkin Elmer spectrometer โดยใช้ KBr FTIR) จากนั้นนำผลลัพธ์ไปเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ XPS นอกจากนี้ ยังใช้การวัดมุมสัมผัส (KRUSS DSA25) เพื่อกำหนดลักษณะการเปียกของอิเล็กโทรดอีกด้วย
สำหรับการวัดทางไฟฟ้าเคมีทั้งหมดนั้น จะใช้เวิร์กสเตชัน Biologic SP 300 โดยใช้โวลแทมเมทรีแบบวงจร (CV) และสเปกโตรสโคปีอิมพีแดนซ์ทางไฟฟ้าเคมี (EIS) เพื่อศึกษาจลนพลศาสตร์ของอิเล็กโทรดของปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ และผลของการแพร่กระจายของรีเอเจนต์ (VOSO4(VO2+)) ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ทั้งสองวิธีใช้เซลล์ที่มีอิเล็กโทรดสามตัวที่มีความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ 0.1 M VOSO4 (V4+) ใน H2SO4 1 M + HCl 1 M (ส่วนผสมของกรด) ข้อมูลทางไฟฟ้าเคมีทั้งหมดที่นำเสนอนั้นได้รับการแก้ไข IR แล้ว อิเล็กโทรดคาโลเมลอิ่มตัว (SCE) และคอยล์แพลตตินัม (Pt) ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรดอ้างอิงและอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ตามลำดับ สำหรับ CV อัตราการสแกน (ν) ที่ 5, 20 และ 50 mV/s ถูกนำไปใช้กับหน้าต่างศักย์ VO2+/VO2+ สำหรับ (0–1) V เทียบกับ SCE จากนั้นจึงปรับสำหรับ SHE เพื่อพล็อต (VSCE = 0.242 V เทียบกับ HSE) เพื่อศึกษาการคงอยู่ของกิจกรรมอิเล็กโทรด CV แบบวนซ้ำถูกดำเนินการที่ 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 ค่าคงที่อัตราที่ไม่สม่ำเสมอ (k0) ได้มาจากวิธีของ Nicholson46,47
ทังสเตนออกไซด์ไฮเดรต (HVO) ได้รับการสังเคราะห์สำเร็จโดยใช้วิธีไฮโดรเทอร์มอล ภาพ SEM ในรูปที่ 1a แสดงให้เห็นว่า HWO ที่สะสมประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคขนาดนาโนที่มีขนาดในช่วง 25-50 นาโนเมตร
รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ HWO แสดงจุดสูงสุด (001) และ (002) ที่ ~23.5° และ ~47.5° ตามลำดับ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของ WO2.63 ที่ไม่ใช่สโตอิชิโอเมตริก (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 จุดสูงสุดอื่นๆ ที่ประมาณ 20.5°, 27.1°, 28.1°, 30.8°, 35.7°, 36.7° และ 52.7° ถูกกำหนดให้เป็น (140), (620), ( 350), (720), (740), (560°) ) ) และ (970) ระนาบการเลี้ยวเบนตั้งฉากกับ WO2.63 ตามลำดับ Songara et al. 43 ใช้กรรมวิธีสังเคราะห์เดียวกันเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สีขาว ซึ่งเกิดจากการมีอยู่ของ WO3(H2O)0.333 อย่างไรก็ตาม ในงานนี้ เนื่องจากเงื่อนไขที่แตกต่างกัน จึงได้ผลิตภัณฑ์สีน้ำเงินเทา ซึ่งบ่งชี้ว่า WO3(H2O)0.333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7 .7 Å, α = β = γ = 90°) และรูปแบบที่ลดลงของทังสเตนออกไซด์ การวิเคราะห์แบบกึ่งเชิงปริมาณโดยใช้ซอฟต์แวร์ X'Pert HighScore แสดงให้เห็น WO3(H2O)0.333 26%:W32O84 74% เนื่องจาก W32O84 ประกอบด้วย W6+ และ W4+ (1.67:1 W6+:W4+) เนื้อหาโดยประมาณของ W6+ และ W4+ คือประมาณ 72% ของ W6+ และ 28% ของ W4+ ตามลำดับ ภาพ SEM สเปกตรัม XPS 1 วินาทีที่ระดับนิวเคลียส ภาพ TEM สเปกตรัม FTIR และสเปกตรัมรามานของอนุภาค C76 ได้รับการนำเสนอในบทความก่อนหน้าของเรา ตามที่ Kawada et al.,50,51 การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ C76 หลังจากการกำจัดโทลูอีนแสดงให้เห็นโครงสร้างโมโนคลินิกของ FCC
ภาพ SEM ในรูปที่ 2a และ b แสดงให้เห็นว่า HWO และ HWO-50%C76 ถูกสะสมบนและระหว่างเส้นใยคาร์บอนของอิเล็กโทรด UCC ได้สำเร็จ แผนที่องค์ประกอบ EDX ของทังสเตน คาร์บอน และออกซิเจนบนภาพ SEM ในรูปที่ 2c แสดงไว้ในรูปที่ 2d-f ซึ่งบ่งชี้ว่าทังสเตนและคาร์บอนผสมกันอย่างสม่ำเสมอ (แสดงการกระจายที่คล้ายคลึงกัน) ทั่วพื้นผิวอิเล็กโทรดทั้งหมด และคอมโพสิตไม่ได้ถูกสะสมอย่างสม่ำเสมอเนื่องจากลักษณะของวิธีการสะสม
ภาพ SEM ของอนุภาค HWO ที่สะสม (a) และอนุภาค HWO-C76 (b) การทำแผนที่ EDX บน HWO-C76 ที่โหลดบน UCC โดยใช้พื้นที่ในภาพ (c) แสดงให้เห็นการกระจายตัวของทังสเตน (d) คาร์บอน (e) และออกซิเจน (f) ในตัวอย่าง
HR-TEM ถูกใช้สำหรับการถ่ายภาพขยายสูงและข้อมูลผลึกศาสตร์ (รูปที่ 3) HWO แสดงสัณฐานวิทยาของนาโนคิวบ์ตามที่แสดงในรูปที่ 3a และชัดเจนยิ่งขึ้นในรูปที่ 3b เมื่อขยายนาโนคิวบ์เพื่อการเลี้ยวเบนของพื้นที่ที่เลือก เราจะสามารถมองเห็นโครงสร้างกริดและระนาบการเลี้ยวเบนที่เป็นไปตามกฎของแบรกก์ตามที่แสดงในรูปที่ 3c ซึ่งยืนยันความเป็นผลึกของวัสดุ ในภาพขยายของรูปที่ 3c แสดงระยะทาง d 3.3 Å ซึ่งสอดคล้องกับระนาบการเลี้ยวเบน (022) และ (620) ที่พบในเฟส WO3(H2O)0.333 และ W32O84 ตามลำดับ43,44,49 ซึ่งสอดคล้องกับการวิเคราะห์ XRD ที่อธิบายไว้ข้างต้น (รูปที่ 1b) เนื่องจากระยะทางระนาบกริดที่สังเกตได้ d (รูปที่ 3c) สอดคล้องกับจุดสูงสุดของ XRD ที่แรงที่สุดในตัวอย่าง HWO วงแหวนตัวอย่างยังแสดงในรูปที่ 3d โดยที่วงแหวนแต่ละวงสอดคล้องกับระนาบแยกกัน ระนาบ WO3(H2O)0.333 และ W32O84 มีสีขาวและสีน้ำเงินตามลำดับ และจุดสูงสุด XRD ที่สอดคล้องกันยังแสดงในรูปที่ 1b วงแหวนแรกที่แสดงในแผนภาพวงแหวนสอดคล้องกับจุดสูงสุดที่ทำเครื่องหมายไว้ครั้งแรกในรูปแบบรังสีเอกซ์ของระนาบการเลี้ยวเบน (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, 45 ตามลำดับ
(ก) ภาพ HR-TEM ของ HWO (ข) แสดงภาพขยาย ภาพของระนาบกริดแสดงใน (ค) ภาพขยาย (ค) แสดงภาพขยายของระนาบและระยะพิทช์ d ที่ 0.33 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับระนาบ (002) และ (620) (ง) รูปแบบวงแหวน HWO แสดงระนาบที่เกี่ยวข้องกับ WO3(H2O)0.333 (สีขาว) และ W32O84 (สีน้ำเงิน)
การวิเคราะห์ XPS ดำเนินการเพื่อกำหนดเคมีพื้นผิวและสถานะออกซิเดชันของทังสเตน (รูป S1 และ 4) สเปกตรัมการสแกน XPS ช่วงกว้างของ HWO ที่สังเคราะห์แสดงในรูป S1 ซึ่งบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของทังสเตน สเปกตรัมการสแกนแคบ XPS ของระดับแกน W 4f และ O 1s แสดงไว้ในรูป 4a และ b ตามลำดับ สเปกตรัม W 4f แยกออกเป็นสปิน-ออร์บิทดับเบิลต์สองอันที่สอดคล้องกับพลังงานยึดเหนี่ยวของสถานะออกซิเดชันของ W และ W 4f7/2 ที่ 36.6 และ 34.9 eV เป็นลักษณะเฉพาะของสถานะ W4+ ที่ 40 ตามลำดับ )0.333 ข้อมูลที่พอดีแสดงให้เห็นว่าเปอร์เซ็นต์อะตอมของ W6+ และ W4+ คือ 85% และ 15% ตามลำดับ ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่ประมาณจากข้อมูล XRD โดยพิจารณาความแตกต่างระหว่างสองวิธี ทั้งสองวิธีนี้ให้ข้อมูลเชิงปริมาณที่มีความแม่นยำต่ำ โดยเฉพาะ XRD นอกจากนี้ ทั้งสองวิธีนี้ยังวิเคราะห์ส่วนต่างๆ ของวัสดุด้วย เนื่องจาก XRD เป็นวิธีการแบบรวมกลุ่ม ในขณะที่ XPS เป็นวิธีการแบบพื้นผิวที่เข้าใกล้เพียงไม่กี่นาโนเมตร สเปกตรัม O 1s แบ่งออกเป็นสองจุดสูงสุดที่ 533 (22.2%) และ 530.4 eV (77.8%) จุดสูงสุดแรกสอดคล้องกับ OH และจุดสูงสุดที่สองสอดคล้องกับพันธะออกซิเจนในโครงตาข่ายใน WO การมีอยู่ของกลุ่มฟังก์ชัน OH สอดคล้องกับคุณสมบัติการไฮเดรชันของ HWO
นอกจากนี้ การวิเคราะห์ FTIR ยังดำเนินการกับตัวอย่างทั้งสองนี้เพื่อตรวจสอบการมีอยู่ของกลุ่มฟังก์ชันและโมเลกุลน้ำที่ประสานกันในโครงสร้าง HWO ที่มีไฮเดรต ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าผลลัพธ์ของตัวอย่าง HWO-50% C76 และ FT-IR HWO นั้นดูคล้ายคลึงกันเนื่องจากมี HWO อยู่ แต่ความเข้มข้นของค่าพีคนั้นแตกต่างกันเนื่องจากปริมาณตัวอย่างที่ใช้ในการเตรียมการวิเคราะห์ต่างกัน (รูปที่ 5a) ) HWO-50% C76 แสดงให้เห็นว่าค่าพีคทั้งหมด ยกเว้นค่าพีคของทังสเตนออกไซด์ เกี่ยวข้องกับฟูลเลอรีน 24 รายละเอียดในรูปที่ 5a แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างทั้งสองแสดงแถบกว้างที่แข็งแกร่งมากที่ ~710/ซม. ซึ่งมาจากการสั่นแบบยืดของ OWO ในโครงสร้างตาข่าย HWO โดยมีไหล่ที่แข็งแกร่งที่ ~840/ซม. ซึ่งมาจาก WO สำหรับการสั่นแบบยืด แถบคมที่ประมาณ 1610/ซม. มาจากการสั่นสะเทือนแบบโค้งงอของ OH ในขณะที่แถบการดูดกลืนที่กว้างที่ประมาณ 3400/ซม. มาจากการสั่นสะเทือนแบบยืดของ OH ในกลุ่มไฮดรอกซิล43 ผลลัพธ์เหล่านี้สอดคล้องกับสเปกตรัม XPS ในรูปที่ 4b ซึ่งกลุ่มฟังก์ชัน WO สามารถให้ตำแหน่งที่ใช้งานได้สำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+
การวิเคราะห์ FTIR ของ HWO และ HWO-50% C76 (a) ระบุกลุ่มฟังก์ชันและการวัดมุมสัมผัส (b, c)
กลุ่ม OH สามารถเร่งปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ได้ในขณะที่เพิ่มคุณสมบัติชอบน้ำของอิเล็กโทรด จึงส่งเสริมอัตราการแพร่และการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ดังที่แสดง ตัวอย่าง C76 ที่มี HWO-50% แสดงค่าพีคเพิ่มเติมสำหรับ C76 ค่าพีคที่ ~2905, 2375, 1705, 1607 และ 1445 cm3 สามารถกำหนดให้กับการสั่นแบบยืดของ CH, O=C=O, C=O, C=C และ CO ตามลำดับ เป็นที่ทราบกันดีว่ากลุ่มฟังก์ชันออกซิเจน C=O และ CO สามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางที่ใช้งานได้สำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ของวาเนเดียม เพื่อทดสอบและเปรียบเทียบความสามารถในการเปียกของอิเล็กโทรดทั้งสอง ได้มีการวัดมุมสัมผัสตามที่แสดงในรูปที่ 5b,c อิเล็กโทรด HWO ดูดซับหยดน้ำทันที ซึ่งบ่งชี้ถึงคุณสมบัติชอบน้ำสูงเนื่องจากกลุ่มฟังก์ชัน OH ที่มีอยู่ HWO-50% C76 มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำมากกว่า โดยมีมุมสัมผัสประมาณ 135° หลังจากผ่านไป 10 วินาที อย่างไรก็ตาม ในการวัดทางเคมีไฟฟ้า อิเล็กโทรด HWO-50%C76 จะเปียกหมดภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาที การวัดความสามารถในการเปียกน้ำนั้นสอดคล้องกับผล XPS และ FTIR ซึ่งบ่งชี้ว่ากลุ่ม OH ที่มากขึ้นบนพื้นผิว HWO ทำให้มีคุณสมบัติชอบน้ำมากกว่า
ปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ของนาโนคอมโพสิต HWO และ HWO-C76 ได้รับการทดสอบแล้ว และคาดว่า HWO จะช่วยระงับการเกิดคลอรีนในปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ในกรดผสม และ C76 จะเร่งปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ ที่ต้องการให้เกิดขึ้นต่อไป C76 ร้อยละ 30 และ 50 ในสารแขวนลอย HWO และ CCC ที่สะสมบนอิเล็กโทรดโดยมีปริมาณการโหลดรวมประมาณ 2 มก./ซม.2
ดังแสดงในรูปที่ 6 จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา VO2+/VO2+ บนพื้นผิวอิเล็กโทรดได้รับการตรวจสอบโดย CV ในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม กระแสไฟฟ้าแสดงเป็น I/Ipa เพื่อให้เปรียบเทียบ ΔEp และ Ipa/Ipc สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาต่างๆ ได้โดยตรงบนกราฟ ข้อมูลหน่วยพื้นที่ปัจจุบันแสดงไว้ในรูปที่ 2S ในรูปที่ 6a แสดงให้เห็นว่า HWO เพิ่มอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนของปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ บนพื้นผิวอิเล็กโทรดเล็กน้อย และยับยั้งปฏิกิริยาของวิวัฒนาการของคลอรีนปรสิต อย่างไรก็ตาม C76 เพิ่มอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างมีนัยสำคัญ และเร่งปฏิกิริยาวิวัฒนาการของคลอรีน ดังนั้น คาดว่าสารประกอบ HWO และ C76 ที่มีการกำหนดสูตรอย่างถูกต้องจะมีกิจกรรมที่ดีที่สุดและมีความสามารถสูงสุดในการยับยั้งปฏิกิริยาวิวัฒนาการของคลอรีน พบว่าหลังจากเพิ่มปริมาณ C76 แล้ว กิจกรรมทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรดจะดีขึ้น ซึ่งเห็นได้จากการลดลงของ ΔEp และการเพิ่มขึ้นของอัตราส่วน Ipa/Ipc (ตาราง S3) ซึ่งได้รับการยืนยันจากค่า RCT ที่สกัดจากกราฟ Nyquist ในรูปที่ 6d (ตาราง S3) ซึ่งพบว่าลดลงเมื่อปริมาณ C76 เพิ่มขึ้น ผลลัพธ์เหล่านี้ยังสอดคล้องกับการศึกษาของ Li ซึ่งการเติมคาร์บอนที่มีรูพรุนขนาดกลางลงใน WO3 ที่มีรูพรุนขนาดกลางแสดงจลนพลศาสตร์การถ่ายโอนประจุที่ดีขึ้นบน VO2+/VO2+35 ซึ่งบ่งชี้ว่าปฏิกิริยาโดยตรงอาจขึ้นอยู่กับสภาพนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรด (พันธะ C=C) 18, 24, 35, 36, 37 มากขึ้น ซึ่งอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในเรขาคณิตการประสานงานระหว่าง [VO(H2O)5]2+ และ [VO2(H2O)4]+ C76 จะลดแรงดันไฟฟ้าเกินของปฏิกิริยาโดยลดพลังงานของเนื้อเยื่อ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อาจไม่สามารถทำได้กับอิเล็กโทรด HWO
(a) พฤติกรรมวอลแทมเมตริกแบบวงจร (ν = 5 mV/s) ของปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ของคอมโพสิต UCC และ HWO-C76 ที่มีอัตราส่วน HWO:C76 ต่างกันใน VOSO4 0.1 M/H2SO4 1 M + อิเล็กโทรไลต์ HCl 1 M (b) Randles-Sevchik และ (c) วิธี Nicholson VO2+/VO2+ เพื่อประเมินประสิทธิภาพการแพร่กระจายและรับค่า k0(d)
ไม่เพียงแต่ HWO-50% C76 จะแสดงให้เห็นกิจกรรมทางไฟฟ้าเร่งปฏิกิริยาที่เกือบจะเหมือนกันกับ C76 สำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ เท่านั้น แต่ที่น่าสนใจยิ่งกว่าคือ มันยังยับยั้งการวิวัฒนาการของคลอรีนเมื่อเทียบกับ C76 อีกด้วย ดังที่แสดงในรูปที่ 6a และยังแสดงครึ่งวงกลมที่เล็กกว่าในรูปที่ 6d (RCT ต่ำกว่า) C76 แสดง Ipa/Ipc ที่ชัดเจนสูงกว่า HWO-50% C76 (ตาราง S3) ไม่ใช่เพราะการย้อนกลับของปฏิกิริยาที่ดีขึ้น แต่เป็นเพราะการทับซ้อนสูงสุดของปฏิกิริยารีดักชันคลอรีนกับ SHE ที่ 1.2 V ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของ HWO-50% C76 นั้นมาจากผลการทำงานร่วมกันระหว่าง C76 ที่มีประจุลบและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูง และความสามารถในการเปียกสูงและฟังก์ชันเร่งปฏิกิริยา W-OH บน HWO การปล่อยคลอรีนน้อยลงจะปรับปรุงประสิทธิภาพการชาร์จของเซลล์เต็ม ในขณะที่จลนพลศาสตร์ที่ดีขึ้นจะปรับปรุงประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เต็ม
ตามสมการ S1 สำหรับปฏิกิริยาที่กลับคืนได้ค่อนข้างช้า (การถ่ายโอนอิเล็กตรอนค่อนข้างช้า) ที่ควบคุมโดยการแพร่กระจาย กระแสสูงสุด (IP) ขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน (n) พื้นที่อิเล็กโทรด (A) ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย (D) ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนอิเล็กตรอน (α) และความเร็วในการสแกน (ν) เพื่อศึกษาพฤติกรรมที่ควบคุมโดยการแพร่กระจายของวัสดุที่ทดสอบ ความสัมพันธ์ระหว่าง IP และ ν1/2 ถูกวาดและนำเสนอในรูปที่ 6b เนื่องจากวัสดุทั้งหมดแสดงความสัมพันธ์เชิงเส้น ปฏิกิริยาจึงถูกควบคุมโดยการแพร่กระจาย เนื่องจากปฏิกิริยา VO2+/VO2+ เป็นแบบกลับคืนได้ค่อนข้างช้า ความชันของเส้นจึงขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายและค่าของ α (สมการ S1) เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การแพร่เป็นค่าคงที่ (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52 ความแตกต่างของความลาดชันของเส้นบ่งชี้ค่า α ที่ต่างกันโดยตรง และด้วยเหตุนี้ อัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ซึ่งแสดงสำหรับ C76 และ HWO -50% ความลาดชันสูงสุดของ C76 (อัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสูงสุด)
ค่าความลาดชันของ Warburg (W) ที่คำนวณสำหรับความถี่ต่ำที่แสดงในตาราง S3 (รูปที่ 6d) มีค่าใกล้เคียงกับ 1 สำหรับวัสดุทั้งหมด ซึ่งบ่งชี้การแพร่กระจายที่สมบูรณ์แบบของสารรีดอกซ์และยืนยันพฤติกรรมเชิงเส้นของ IP เมื่อเทียบกับ ν1/ 2 CV ถูกวัด สำหรับ HWO-50% C76 ความลาดชันของ Warburg เบี่ยงเบนจาก 1 เป็น 1.32 ซึ่งไม่เพียงแต่บ่งชี้การแพร่กระจายแบบกึ่งอนันต์ของรีเอเจนต์ (VO2+) เท่านั้น แต่ยังบ่งชี้ถึงการมีส่วนสนับสนุนที่เป็นไปได้ของพฤติกรรมชั้นบางต่อพฤติกรรมการแพร่กระจายอันเนื่องมาจากรูพรุนของอิเล็กโทรดอีกด้วย
เพื่อวิเคราะห์ความสามารถในการกลับคืนได้ (อัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอน) ของปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ เพิ่มเติม จึงใช้วิธีปฏิกิริยาแบบกลับคืนได้แบบควาซิของนิโคลสันเพื่อกำหนดค่าคงที่อัตรามาตรฐาน k041.42 โดยใช้สมการ S2 เพื่อสร้างพารามิเตอร์จลนศาสตร์ไร้มิติ Ψ ซึ่งเป็นฟังก์ชันของ ΔEp เป็นฟังก์ชันของ ν-1/2 ตาราง S4 แสดงค่า Ψ ที่ได้สำหรับวัสดุอิเล็กโทรดแต่ละชนิด ผลลัพธ์ (รูปที่ 6c) ถูกวาดกราฟเพื่อให้ได้ k0 × 104 ซม./วินาที จากความลาดชันของแต่ละกราฟโดยใช้สมการ S3 (เขียนไว้ถัดจากแต่ละแถวและนำเสนอในตาราง S4) พบว่า HWO-50% C76 มีความลาดชันสูงสุด (รูปที่ 6c) ดังนั้นค่าสูงสุดของ k0 คือ 2.47 × 10–4 ซม./วินาที ซึ่งหมายความว่าอิเล็กโทรดนี้ให้ผลจลนพลศาสตร์ที่เร็วที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ของ CV และ EIS ในรูปที่ 6a และ d และในตาราง S3 นอกจากนี้ ค่า k0 ยังได้จากกราฟ Nyquist (รูปที่ 6d) ของสมการ S4 โดยใช้ค่า RCT (ตาราง S3) ผลลัพธ์ k0 เหล่านี้จาก EIS สรุปไว้ในตาราง S4 และยังแสดงให้เห็นว่า HWO-50% C76 แสดงอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสูงสุดเนื่องจากผลการทำงานร่วมกัน แม้ว่าค่า k0 จะแตกต่างกันเนื่องจากจุดกำเนิดที่แตกต่างกันของแต่ละวิธี แต่ค่าเหล่านี้ยังคงแสดงลำดับขนาดและแสดงความสม่ำเสมอเท่ากัน
เพื่อให้เข้าใจจลนพลศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมที่ได้อย่างสมบูรณ์ จำเป็นต้องเปรียบเทียบวัสดุอิเล็กโทรดที่เหมาะสมที่สุดกับอิเล็กโทรด UCC และ TCC ที่ไม่ได้เคลือบ สำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ HWO-C76 ไม่เพียงแต่แสดง ΔEp ต่ำสุดและการกลับคืนสภาพได้ดีกว่าเท่านั้น แต่ยังยับยั้งปฏิกิริยาการวิวัฒนาการของคลอรีนปรสิตได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ TCC ซึ่งวัดจากกระแสไฟที่ 1.45 V เทียบกับ SHE (รูปที่ 7a) ในแง่ของความเสถียร เราถือว่า HWO-50% C76 มีความเสถียรทางกายภาพเนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาถูกผสมกับสารยึดเกาะ PVDF จากนั้นจึงนำไปใช้กับอิเล็กโทรดผ้าคาร์บอน HWO-50% C76 แสดงการเลื่อนจุดสูงสุดที่ 44 mV (อัตราการสลายตัว 0.29 mV/รอบ) หลังจาก 150 รอบ เมื่อเทียบกับ 50 mV ของ UCC (รูปที่ 7b) แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่มาก แต่จลนพลศาสตร์ของอิเล็กโทรด UCC นั้นช้ามากและเสื่อมสภาพลงเมื่อเกิดรอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับปฏิกิริยาย้อนกลับ แม้ว่า TCC จะสามารถย้อนกลับได้ดีกว่า UCC มาก แต่ก็พบว่า TCC มีค่าพีคชิฟต์ที่สูงถึง 73 mV หลังจาก 150 รอบ ซึ่งอาจเกิดจากคลอรีนจำนวนมากที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเกาะติดกับพื้นผิวอิเล็กโทรดได้ดี จากการทดสอบอิเล็กโทรดทั้งหมด จะเห็นได้ว่าแม้แต่อิเล็กโทรดที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่รองรับก็ยังมีระดับความไม่เสถียรของรอบที่แตกต่างกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงของการแยกพีคระหว่างรอบเกิดจากการทำให้วัสดุเสื่อมสภาพลงจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมี มากกว่าการแยกตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ หากต้องแยกอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนมากออกจากพื้นผิวอิเล็กโทรด ก็จะส่งผลให้การแยกพีคเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (ไม่ใช่แค่ 44 mV) เนื่องจากสารตั้งต้น (UCC) ค่อนข้างไม่มีกิจกรรมสำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+
การเปรียบเทียบค่า CV ของวัสดุอิเล็กโทรดที่ดีที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับ UCC (a) และความเสถียรของปฏิกิริยารีดอกซ์ VO2+/VO2+ (b) ν = 5 mV/s สำหรับ CV ทั้งหมดในอิเล็กโทรไลต์ VOSO4 0.1 M/H2SO4 1 M + HCl 1 M
เพื่อเพิ่มเสน่ห์ทางเศรษฐกิจของเทคโนโลยี VRFB การขยายและทำความเข้าใจจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยารีดอกซ์วาเนเดียมถือเป็นสิ่งสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพพลังงานสูง คอมโพสิต HWO-C76 ได้รับการเตรียมและศึกษาผลของการเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าต่อปฏิกิริยา VO2+/VO2+ HWO แสดงการเพิ่มขึ้นทางจลนพลศาสตร์เพียงเล็กน้อยในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม แต่ยับยั้งการวิวัฒนาการของคลอรีนได้อย่างมีนัยสำคัญ อัตราส่วนต่างๆ ของ HWO:C76 ถูกนำมาใช้เพื่อปรับจลนพลศาสตร์ของอิเล็กโทรดที่ใช้ HWO ให้เหมาะสมยิ่งขึ้น การเพิ่ม C76 เป็น HWO ช่วยปรับปรุงจลนพลศาสตร์การถ่ายโอนอิเล็กตรอนของปฏิกิริยา VO2+/VO2+ บนอิเล็กโทรดที่ดัดแปลง ซึ่ง HWO-50% C76 เป็นวัสดุที่ดีที่สุดเนื่องจากช่วยลดความต้านทานการถ่ายโอนประจุและยับยั้งคลอรีนได้มากขึ้นเมื่อเทียบกับ C76 และตะกอน TCC ซึ่งเกิดจากผลเสริมฤทธิ์กันระหว่างไฮบริดิเซชัน C=C sp2, OH และกลุ่มฟังก์ชัน W-OH พบว่าอัตราการย่อยสลายหลังจากการรีไซเคิล HWO-50% C76 ซ้ำๆ อยู่ที่ 0.29 mV/รอบ ในขณะที่อัตราการย่อยสลายของ UCC และ TCC อยู่ที่ 0.33 mV/รอบ และ 0.49 mV/รอบ ตามลำดับ ทำให้เสถียรมากในอิเล็กโทรไลต์กรดผสม ผลลัพธ์ที่นำเสนอสามารถระบุวัสดุอิเล็กโทรดประสิทธิภาพสูงสำหรับปฏิกิริยา VO2+/VO2+ ที่มีจลนพลศาสตร์รวดเร็วและมีเสถียรภาพสูงได้สำเร็จ ซึ่งจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออก จึงเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงานของ VRFB และลดต้นทุนในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในอนาคต
ชุดข้อมูลที่ใช้และ/หรือวิเคราะห์ในการศึกษาปัจจุบันสามารถขอรับได้จากผู้เขียนแต่ละรายตามคำขอที่สมเหตุสมผล
Luderer G. et al. การประมาณพลังงานลมและแสงอาทิตย์ในสถานการณ์พลังงานคาร์บอนต่ำทั่วโลก: บทนำ การประหยัดพลังงาน 64, 542–551 https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017)
Lee, HJ, Park, S. และ Kim, H. การวิเคราะห์ผลกระทบของการตกตะกอน MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์ของวาเนเดียม/แมงกานีส Lee, HJ, Park, S. และ Kim, H. การวิเคราะห์ผลกระทบของการตกตะกอน MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์ของวาเนเดียม/แมงกานีสLee, HJ, Park, S. และ Kim, H. การวิเคราะห์ผลกระทบของการสะสม MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์ของวาเนเดียมแมงกานีส 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 พาร์ค เอส และคิม เอช เอ็มเอ็นโอ 2Lee, HJ, Park, S. และ Kim, H. การวิเคราะห์ผลกระทบของการสะสม MnO2 ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์ของวาเนเดียมแมงกานีสJ. Electrochemistry. พรรคสังคมนิยม. 165(5), A952-A956. https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC แบบจำลองเซลล์หน่วยไดนามิกสำหรับแบตเตอรี่การไหลวาเนเดียมทั้งหมด Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA & Walsh, FC แบบจำลองเซลล์หน่วยไดนามิกสำหรับแบตเตอรี่การไหลวาเนเดียมทั้งหมดShah AA, Tangirala R, Singh R, Wills RG และ Walsh FK แบบจำลองไดนามิกของเซลล์พื้นฐานของแบตเตอรี่การไหลวาเนเดียมทั้งหมด 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。 ชาห์ เอเอ ตังกิราลา อาร์. สิงห์ อาร์. วิลส์ อาร์จีเอ และ วอลช์ เอฟซีShah AA, Tangirala R, Singh R, Wills RG และ Walsh FK เซลล์ไดนามิกแบบจำลองของแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์วาเนเดียมทั้งหมดJ. Electrochemistry. พรรคสังคมนิยม. 158(6), A671. https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA และ Mench, MM การวัดการกระจายศักยภาพในแหล่งกำเนิดและแบบจำลองที่ผ่านการตรวจสอบสำหรับแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์ของวาเนเดียมทั้งหมด Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA และ Mench, MM การวัดการกระจายศักยภาพในแหล่งกำเนิดและแบบจำลองที่ผ่านการตรวจสอบสำหรับแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์ของวาเนเดียมทั้งหมดGandomi, Yu. A., Aaron, DS, Zavodzinski, TA และ Mench, MM การวัดการกระจายศักย์ไฟฟ้าในสถานะและแบบจำลองที่ผ่านการตรวจสอบสำหรับศักย์รีดอกซ์ของแบตเตอรี่การไหลแบบวาเนเดียมทั้งหมด 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 การวัดแบบจำลองและการยืนยันการกระจายศักย์ไฟฟ้าในสถานะสำหรับแบตเตอรี่รีดอกซ์แบบไหลวาเนเดียมทั้งหมดJ. Electrochemistry. พรรคสังคมนิยม. 163(1), A5188-A5201. https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์วาเนเดียมพร้อมสนามการไหลแบบสอดประสานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรด Tsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์วาเนเดียมพร้อมสนามการไหลแบบสอดประสานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรดTsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์ไหลผ่านที่มีการไหลแบบตรงข้ามขั้วเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรด 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. การสร้างแบบจำลองและการจำลองสำหรับการปรับโครงสร้างอิเล็กโทรดให้เหมาะสมด้วยการลดวานาเดียมออกไซด์Tsushima, S. และ Suzuki, T. การสร้างแบบจำลองและการจำลองแบตเตอรี่การไหลแบบรีดอกซ์วาเนเดียมด้วยสนามการไหลแบบพินเคาน์เตอร์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างอิเล็กโทรดJ. Electrochemistry. พรรคสังคมนิยม. 167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. และ Skyllas-Kazacos, M. การปรับเปลี่ยนวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์สำหรับการใช้งานแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์วาเนเดียม—I. Sun, B. และ Skyllas-Kazacos, M. การปรับเปลี่ยนวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์สำหรับการใช้งานแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์วาเนเดียม—I.Sun, B. และ Scyllas-Kazakos, M. การปรับเปลี่ยนวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์สำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์ – I. 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. และ Skyllas-Kazacos, M. การปรับเปลี่ยนวัสดุอิเล็กโทรด 石墨 ในแอพพลิเคชั่นแบตเตอรี่ของเหลวรีดักชันออกซิเดชันวาเนเดียม——I.Sun, B. และ Scyllas-Kazakos, M. การปรับเปลี่ยนวัสดุอิเล็กโทรดกราไฟต์เพื่อใช้ในแบตเตอรี่รีดอกซ์วาเนเดียม – I.การอบชุบด้วยความร้อน 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. ความก้าวหน้าของวัสดุอิเล็กโทรดสู่แบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม (VFB) ที่มีความหนาแน่นของพลังงานที่ได้รับการปรับปรุง Liu, T., Li, X., Zhang, H. และ Chen, J. ความก้าวหน้าของวัสดุอิเล็กโทรดสู่แบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม (VFB) ที่มีความหนาแน่นของพลังงานที่ได้รับการปรับปรุงLiu, T., Li, X., Zhang, H. และ Chen, J. ความก้าวหน้าในการใช้สื่ออิเล็กโทรดในการผลิตแบตเตอรี่ไหลวาเนเดียม (VFB) ที่มีความหนาแน่นของพลังงานที่ได้รับการปรับปรุง 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. ความก้าวหน้าในวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ (VFB) ที่มีความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นJ. เคมีพลังงาน 27(5), 1292-1303. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al. เซลล์ไหลรีดอกซ์วาเนเดียมประสิทธิภาพสูงพร้อมการกำหนดค่าอิเล็กโทรดที่เหมาะสมและการเลือกเมมเบรน 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. ตัวเร่งปฏิกิริยาคอมโพสิตอิเล็กโทรดคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่รองรับด้วยแผ่นคาร์บอนสำหรับแบตเตอรี่แบบรีดอกซ์วาเนเดียม Wei, G., Jia, C., Liu, J. และ Yan, C. ตัวเร่งปฏิกิริยาคอมโพสิตอิเล็กโทรดคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่รองรับด้วยแผ่นคาร์บอนสำหรับแบตเตอรี่แบบรีดอกซ์วาเนเดียมWei, G., Jia, Q., Liu, J. และ Yang, K. ตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรดแบบคอมโพสิตที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์พร้อมพื้นผิวคาร์บอนที่รู้สึกได้เพื่อใช้งานในแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์ 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. อิเล็กโทรดคอมโพสิตตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่บรรจุสักหลาดสำหรับแบตเตอรี่การไหลของของเหลวลดออกซิเดชันวาเนเดียมWei, G., Jia, Q., Liu, J. และ Yang, K. อิเล็กโทรดคอมโพสิตของตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนนาโนทิวบ์พร้อมพื้นผิวคาร์บอนที่รู้สึกได้สำหรับการประยุกต์ใช้ในแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์เจ. พาวเวอร์. 220, 185–192. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. ผลของบิสมัทซัลเฟตที่เคลือบบน CNT ที่ถูกทำให้เป็นกรดต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ Moon, S., Kwon, BW, Chung, Y. & Kwon, Y. ผลของบิสมัทซัลเฟตที่เคลือบบน CNT ที่ถูกทำให้เป็นกรดต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์Moon, S., Kwon, BW, Chang, Y. และ Kwon, Y. อิทธิพลของบิสมัทซัลเฟตที่เกาะบน CNT ที่ถูกออกซิไดซ์ต่อคุณลักษณะของแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์ที่ไหลผ่าน 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. & Kwon, Y. ผลของบิสมัทซัลเฟตต่อการออกซิเดชันของ CNT ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่การไหลของของเหลวรีดักชันออกซิเดชันของวาเนเดียมMoon, S., Kwon, BW, Chang, Y. และ Kwon, Y. อิทธิพลของบิสมัทซัลเฟตที่เกาะบน CNT ที่ถูกออกซิไดซ์ต่อคุณลักษณะของแบตเตอรี่รีดอกซ์วาเนเดียมที่ไหลผ่านJ. Electrochemistry. พรรคสังคมนิยม. 166(12), A2602. https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang R.-H. Pt/อิเล็กโทรดแอคทีฟที่ดัดแปลงด้วยนาโนท่อคาร์บอนหลายชั้นสำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ J. Electrochemistry. Socialist Party. 159(10), A1579. https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012)
Kahn, S. et al. แบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่ประดับด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่เจือด้วยไนโตรเจนซึ่งได้มาจากโครงนั่งร้านโลหะออร์กาโน J. Electrochemistry. Socialist Party. 165(7), A1388. https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al. แผ่นนาโนออกไซด์กราฟีนทำหน้าที่เป็นวัสดุที่มีฤทธิ์ทางไฟฟ้าเคมีที่ยอดเยี่ยมสำหรับคู่รีดอกซ์ VO2+/ และ V2+/V3+ ในแบตเตอรี่การไหลรีดอกซ์วาเนเดียม คาร์บอน 49(2), 693–700. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011)
Gonzalez Z. et al. ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่โดดเด่นของแผ่นกราไฟต์ที่ดัดแปลงด้วยกราฟีนสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่เรดอกซ์วาเนเดียม 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. ฟิล์มบางผนังนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่มีโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่กระแสรีดอกซ์วาเนเดียม González, Z., Vizireanu, S., Dinescu, G., Blanco, C. และ Santamaría, R. ฟิล์มบางผนังนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่มีโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่กระแสรีดอกซ์วาเนเดียมGonzález Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco C. และ Santamaria R. ฟิล์มบางของผนังนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่มีโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่กระแสรีดอกซ์วาเนเดียมGonzález Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. และ Santamaria R. ฟิล์มคาร์บอนนาโนวอลล์เป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่มีโครงสร้างนาโนในแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ 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. แผ่นคาร์บอนดัดแปลงกราฟีนแบบเมโสพรุนสามมิติสำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ประสิทธิภาพสูง Opar, DO, Nankya, R., Lee, J. และ Jung, H. แผ่นคาร์บอนดัดแปลงกราฟีนแบบเมโสพรุนสามมิติสำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ประสิทธิภาพสูงOpar DO, Nankya R., Lee J. และ Yung H. แผ่นคาร์บอนเมโสพรัสที่ดัดแปลงด้วยกราฟีนสามมิติสำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ประสิทธิภาพสูง 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. แผ่นคาร์บอนเมโสพรัสที่ดัดแปลงด้วยกราฟีนสามมิติสำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ประสิทธิภาพสูงอิเล็กโตรเคมี. พระราชบัญญัติ 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).