304 kapilyar boru Nanokompozitlər Volfram oksidi/Fulleren əsasında elektrokatalizatorlar və qarışıq turşularda parazitar VO2+/VO2+ reaksiyalarının inhibitorları kimi

Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik.Siz məhdud CSS dəstəyi ilə brauzer versiyasından istifadə edirsiniz.Ən yaxşı təcrübə üçün sizə yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyi tövsiyə edirik (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq rejimini söndürün).Bundan əlavə, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün biz saytı üslub və JavaScript olmadan göstəririk.
Eyni anda üç slayddan ibarət karuseli göstərir.Eyni anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün Əvvəlki və Sonrakı düymələrindən istifadə edin və ya bir anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün sonundakı sürüşmə düymələrindən istifadə edin.

Paslanmayan Polad 304 Bobin Boru Kimyəvi Tərkibi

304 Paslanmayan Polad Bobin Borusu bir növ ostenitik xrom-nikel ərintisidir.Paslanmayan Polad 304 Bobin Boru İstehsalçısına görə, onun tərkibindəki əsas komponent Cr (17%-19%) və Ni (8%-10,5%) təşkil edir.Korroziyaya davamlılığını artırmaq üçün az miqdarda Mn (2%) və Si (0,75%) var.

Paslanmayan Polad 304 Bobin Borusu Mexanik Xüsusiyyətləri

304 paslanmayan polad boruların mexaniki xüsusiyyətləri aşağıdakılardır:

• Dartma gücü: ≥515MPa
• Məhsuldarlıq gücü: ≥205MPa
• Uzatma: ≥30%

Paslanmayan Polad 304 Bobin Borunun Tətbiqləri və İstifadələri

Vanadium redoks axını batareyalarının (VRFB) nisbətən yüksək qiyməti onların geniş istifadəsini məhdudlaşdırır.VRFB-nin enerji sıxlığını və enerji səmərəliliyini artırmaq və bununla da VRFB-nin kVt-saat maya dəyərini azaltmaq üçün elektrokimyəvi reaksiyaların kinetikası təkmilləşdirilməlidir.Bu işdə hidrotermal yolla sintez edilmiş hidratlanmış volfram oksidi (HWO) nanohissəcikləri, C76 və C76/HWO karbon parça elektrodlarına yerləşdirilib və VO2+/VO2+ redoks reaksiyası üçün elektrokatalizator kimi sınaqdan keçirilib.Sahə emissiya skan edən elektron mikroskopiya (FESEM), enerji dispersiv rentgen spektroskopiyası (EDX), yüksək ayırdetməli ötürücü elektron mikroskopiyası (HR-TEM), rentgen şüalarının difraksiyası (XRD), rentgen şüalarının fotoelektron spektroskopiyası (XPS), infraqırmızı Furye Spektroskopiya (FTIR) və təmas bucağının ölçülməsi.Müəyyən edilmişdir ki, HWO-ya C76 fullerenin əlavə edilməsi keçiriciliyi artırmaq və onun səthində oksigen tərkibli funksional qrupları təmin etməklə VO2+/VO2+ redoks reaksiyasına münasibətdə elektrodun kinetikasını gücləndirə bilər.HWO/C76 kompoziti (50 ağırlıq % C76) təmizlənməmiş karbon parça (UCC) üçün 365 mV ilə müqayisədə 176 mV ΔEp ilə VO2+/VO2+ reaksiyası üçün ən uyğun olduğunu sübut etdi.Bundan əlavə, HWO/C76 kompoziti W-OH funksional qruplarına görə parazitar xlorun təkamül reaksiyasını əhəmiyyətli dərəcədə inhibə etdi.
Intensiv insan fəaliyyəti və sürətli sənaye inqilabı elektrik enerjisinə qarşısıalınmaz dərəcədə yüksək tələbata səbəb olub və bu tələbat ildə təxminən 3% artır1.Onilliklər ərzində qalıq yanacaqların enerji mənbəyi kimi geniş istifadəsi istixana qazları emissiyasına səbəb olub, qlobal istiləşməyə, su və havanın çirklənməsinə gətirib çıxararaq bütün ekosistemləri təhdid edir.Nəticədə 2050-ci ilə qədər təmiz bərpa olunan enerji və günəş enerjisinin payının ümumi elektrik enerjisinin 75%-nə çatacağı proqnozlaşdırılır1.Bununla belə, bərpa olunan enerji istehsalı ümumi elektrik enerjisi istehsalının 20%-ni keçdikdə, şəbəkə qeyri-sabit olur 1. Effektiv enerji saxlama sistemlərinin inkişafı bu keçid üçün çox vacibdir, çünki onlar artıq elektrik enerjisini saxlamalı və tələb və təklifi tarazlaşdırmalıdırlar.
Hibrid vanadium redoks axını batareyaları2 kimi bütün enerji saxlama sistemləri arasında bütün vanadium redoks axını batareyaları (VRFBs) bir çox üstünlüklərinə görə ən inkişaf etmişlərdir3 və uzunmüddətli enerji saxlama (~30 il) üçün ən yaxşı həll hesab olunur.Bərpa olunan enerji mənbələrindən istifadə 4.Bu, güc və enerji sıxlığının ayrılması, sürətli reaksiya, uzun ömür və litium-ion və qurğuşun-turşu akkumulyatorları üçün 93-140 ABŞ dolları/kVt-saat və 279-420 ABŞ dolları/kVt-saatla müqayisədə 65 ABŞ dolları/kVt/saat nisbətən aşağı illik xərclərlə bağlıdır./kWh batareyalar müvafiq olaraq 4.
Bununla belə, onların geniş kommersiyalaşdırılmasına, əsasən, batareya paketlərinə görə nisbətən yüksək sistem kapital xərcləri mane olmaqda davam edir4,5.Beləliklə, iki yarım hüceyrə reaksiyasının kinetikasını artırmaqla batareyanın işini yaxşılaşdırmaq batareyanın ölçüsünü azalda və beləliklə də xərcləri azalda bilər.Buna görə də, diqqətlə optimallaşdırılmalı olan elektrodun dizaynı, tərkibi və strukturundan asılı olaraq elektrod səthinə sürətli elektron transferi tələb olunur.Karbon əsaslı elektrodlar yaxşı kimyəvi və elektrokimyəvi dayanıqlığa və yaxşı elektrik keçiriciliyinə malik olsalar da, müalicə olunmazsa, oksigen funksional qruplarının və hidrofilliyin olmaması səbəbindən onların kinetikası yavaş olacaq7,8.Buna görə də, hər iki elektrodun kinetikasını yaxşılaşdırmaq və bununla da VRFB elektrodlarının kinetikasını artırmaq üçün müxtəlif elektrokatalizatorlar karbon elektrodları, xüsusən də karbon nanostrukturları və metal oksidləri ilə birləşdirilir.
Fulleren ailəsi istisna olmaqla, karbon kağızı9, karbon nanoborucuqları10,11,12,13, qrafen əsaslı nanostrukturlar14,15,16,17, karbon nanolifləri18 və başqaları19,20,21,22,23 kimi bir çox karbon materialı istifadə edilmişdir. .C76 ilə bağlı əvvəlki tədqiqatımızda biz ilk dəfə olaraq bu fullerenin VO2+/VO2+-a qarşı əla elektrokatalitik aktivliyini, istiliklə işlənmiş və təmizlənməmiş karbon parça ilə müqayisədə yük ötürmə müqavimətinin 99,5% və 97% azaldığını bildirdik24.C76 ilə müqayisədə VO2+/VO2+ reaksiyası üçün karbon materiallarının katalitik performansı Cədvəl S1-də göstərilmişdir.Digər tərəfdən CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 və WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 kimi bir çox metal oksidləri nəmləndiriciliyi və yüksək oxygen tərkibinə görə istifadə olunur.qruplar.Cədvəl S2 bu metal oksidlərin VO2+/VO2+ reaksiyasında katalitik fəaliyyətini göstərir.WO3 aşağı qiymətə, turşu mühitdə yüksək dayanıqlığa və yüksək katalitik aktivliyə görə əhəmiyyətli sayda işlərdə istifadə edilmişdir31,32,33,34,35,36,37,38.Bununla belə, WO3 katod kinetikasında az irəliləyiş göstərdi.WO3 keçiriciliyini yaxşılaşdırmaq üçün azaldılmış volfram oksidindən (W18O49) istifadənin müsbət elektrod aktivliyinə təsiri sınaqdan keçirildi38.Nəmlənmiş volfram oksidi (HWO) heç vaxt VRFB tətbiqlərində sınaqdan keçirilməmişdir, baxmayaraq ki, susuz WOx39,40 ilə müqayisədə daha sürətli kation diffuziyasına görə superkapasitor tətbiqlərində daha yüksək aktivlik göstərmişdir.Üçüncü nəsil tam vanadium redoks axını batareyası batareyanın işini yaxşılaşdırmaq və elektrolitdə vanadium ionlarının həllini və sabitliyini yaxşılaşdırmaq üçün HCl və H2SO4-dən ibarət qarışıq turşu elektrolitindən istifadə edir.Bununla belə, parazitar xlor təkamül reaksiyası üçüncü nəslin çatışmazlıqlarından birinə çevrildi, buna görə də xlor qiymətləndirmə reaksiyasını yatırmaq yollarını tapmaq bir neçə tədqiqat qrupunun vəzifəsinə çevrildi.
Burada kompozitlərin elektrik keçiriciliyi ilə elektrod səthində oksidləşmə-qaytarma reaksiyasının kinetikası arasında tarazlığı tapmaq üçün karbon parça elektrodlarına çökdürülmüş HWO/C76 kompozitləri üzərində parazit xlor çökdürülməsinin qarşısını almaq üçün VO2+/VO2+ reaksiya testləri aparılmışdır.reaksiya (KVR).Hidratlanmış volfram oksidi (HWO) nanohissəcikləri sadə hidrotermal üsulla sintez edilmişdir.Rahatlıq üçün üçüncü nəsil VRFB (G3) simulyasiyası və HWO-nun parazitar xlorun təkamül reaksiyasına təsirini araşdırmaq üçün qarışıq turşu elektrolitində (H2SO4/HCl) təcrübələr aparılmışdır42.
Vanadium (IV) sulfat oksid hidrat (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), sulfat turşusu (H2SO4), xlorid turşusu (HCl), dimetilformamid (DMF, Sigma-Aldrich), poliviniliden ftorid (PVDF, Sigma-Aldrich), sodium Bu tədqiqatda volfram oksidi dihidrat (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) və hidrofilik karbon parça ELAT (Yanacaq Hüceyrəsi Mağazası) istifadə edilmişdir.
Hidratlanmış volfram oksidi (HWO) hidrotermal reaksiya ilə hazırlanmışdır, burada 2 q Na2WO4 duzu rəngsiz bir məhlul əldə edilənə qədər 12 ml H2O-da həll edilmiş və sonra açıq sarı rəngli suspenziyaya qədər 12 ml 2 M HCl damla damla əlavə edilmişdir. əldə edildi.asma.Hidrotermal reaksiya Teflon örtülmüş paslanmayan polad avtoklavda 180 ºC-də 3 saat ərzində sobada aparılmışdır.Qalıq filtrasiya yolu ilə toplanmış, 3 dəfə etanol və su ilə yuyulmuş, sobada 70°C-də ~3 saat qurudulmuş və sonra mavi-boz HWO tozunu əldə etmək üçün üyüdülmüşdür.
Alınan (təmizlənməmiş) karbon parça elektrodları (CCTs) əldə edildiyi və ya havada 15 ° C/dəq qızdırma sürəti ilə 450 ° C-də boru sobasında 10 saat istilik müalicəsinə məruz qaldıqları formada istifadə edilmişdir. işlənmiş UCC (TCC) əldə edin, s Əvvəlki iş kimi eyni 24. UCC və TCC təxminən 1,5 sm enində və 7 sm uzunluğunda elektrodlara kəsildi.C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 və HWO-50% C76 süspansiyonları ~1 ml-ə 20 mq aktiv maddə tozu və 10 wt% (~2.22 mq) PVDF bağlayıcı əlavə edilməklə hazırlanmışdır. DMF vahidliyi yaxşılaşdırmaq üçün 1 saat ərzində hazırlanmış və sonikasiya edilmişdir.Sonra 2 mq C76, HWO və HWO-C76 kompozitləri UCC aktiv elektrod sahəsinin təxminən 1,5 sm2-yə tətbiq olundu.Bütün katalizatorlar UCC elektrodlarına yüklənmiş və TCC yalnız müqayisə məqsədləri üçün istifadə edilmişdir, çünki əvvəlki işimiz göstərmişdir ki, istilik müalicəsi tələb olunmur 24 .Təəssüratların çökməsi daha çox vahidlik üçün 100 µl süspansiyonun (yük 2 mq) fırçalanması ilə əldə edilmişdir.Sonra bütün elektrodlar bir gecədə 60°C temperaturda sobada qurudulur.Dəqiq ehtiyat yüklənməsini təmin etmək üçün elektrodlar əvvəl və sonra ölçülür.Müəyyən həndəsi sahəyə (~1,5 sm2) sahib olmaq və kapilyar təsir nəticəsində vanadium elektrolitinin elektrodlara qalxmasının qarşısını almaq üçün aktiv materialın üzərinə nazik parafin təbəqəsi çəkilmişdir.
HWO səthinin morfologiyasını müşahidə etmək üçün sahə emissiyasını skan edən elektron mikroskopu (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60,5 kV) istifadə edilmişdir.Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) ilə təchiz edilmiş enerji dispersiv rentgen spektroskopiyası UCC elektrodlarında HWO-50%C76 elementlərinin xəritəsini çıxarmaq üçün istifadə edilmişdir.HWO hissəciklərinin yüksək ayırdetmə təsvirlərini və difraksiya halqalarını əldə etmək üçün 200 kV-lik sürətləndirici gərginlikdə işləyən yüksək ayırdetməli ötürücü elektron mikroskopu (HR-TEM, JOEL JEM-2100) istifadə edilmişdir.RingGUI funksiyasından istifadə edərək HWO difraksiya halqalarını təhlil etmək və nəticələri XRD modelləri ilə müqayisə etmək üçün Crystallographic Tool Box (CrysTBox) proqramından istifadə edin.UCC və TCC-nin strukturu və qrafitləşməsi Panalitik rentgen difraktometrindən istifadə edərək Cu Kα (λ = 1.54060 Å) ilə 5°-dən 70°-ə qədər 2.4°/dəq skan sürətində rentgen şüalarının difraksiyası (XRD) ilə müəyyən edilmişdir.(Model 3600).XRD HWO-nun kristal quruluşunu və fazalarını göstərir.HWO zirvələrini verilənlər bazasında mövcud olan volfram oksidi xəritələrinə uyğunlaşdırmaq üçün PANalytical X'Pert HighScore proqramı istifadə edilmişdir45.HWO nəticələrini TEM nəticələri ilə müqayisə edin.HWO nümunələrinin kimyəvi tərkibi və vəziyyəti rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific) ilə müəyyən edilmişdir.CASA-XPS proqramı (v 2.3.15) pik dekonvolyutsiya və məlumatların təhlili üçün istifadə edilmişdir.HWO və HWO-50%C76 səthinin funksional qruplarını müəyyən etmək üçün Furye transformasiyalı infraqırmızı spektroskopiya (FTIR, Perkin Elmer sinfi KBr FTIR spektrometrindən istifadə etməklə) ölçmələri aparılmışdır.Nəticələri XPS nəticələri ilə müqayisə edin.Elektrodların ıslanma qabiliyyətini xarakterizə etmək üçün təmas bucağı ölçüləri (KRUSS DSA25) də istifadə edilmişdir.
Bütün elektrokimyəvi ölçmələr üçün Biologic SP 300 iş stansiyasından istifadə edilmişdir.VO2+/VO2+ redoks reaksiyasının elektrod kinetikasını və reagent diffuziyasının (VOSO4 (VO2+)) reaksiya sürətinə təsirini öyrənmək üçün siklik voltametriya (CV) və elektrokimyəvi impedans spektroskopiyasından (EIS) istifadə edilmişdir.Hər iki texnologiya 1 M H2SO4 + 1 M HCl (qarışıq turşu) içində həll edilmiş 0,1 M VOSO4 (V4+) elektrolit konsentrasiyası olan üç elektrodlu hüceyrədən istifadə edir.Təqdim olunan bütün elektrokimyəvi məlumatlar IR korreksiyalıdır.İstinad və əks elektrod kimi müvafiq olaraq doymuş kalomel elektrodu (SCE) və platin (Pt) rulondan istifadə edilmişdir.CV üçün 5, 20 və 50 mV/s skan sürətləri (ν) VO2+/VO2+ üçün SCE ilə müqayisədə potensial pəncərəyə (0-1) V tətbiq edildi, sonra qrafiki tərtib etmək üçün SHE şkalası üzrə düzəliş edildi (VSCE = 0,242). V SƏTƏM-ə nisbətən).Elektrod aktivliyinin saxlanmasını araşdırmaq üçün UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO və UCC-HWO-50% C76-da 5 mV/s-ə bərabər ν-də CV-nin təkrar emalı həyata keçirilib.VO2+/VO2+ redoks reaksiyası üçün EIS ölçmələri üçün 0,01-105 Hz tezlik diapazonu və 10 mV açıq dövrə gərginliyi (OCV) pozğunluğundan istifadə edilmişdir.Nəticələrin ardıcıllığını təmin etmək üçün hər bir təcrübə 2-3 dəfə təkrarlandı.Heterojen sürət sabitləri (k0) Nikolson metodu ilə əldə edilmişdir46,47.
Hidratlanmış volfram oksidi (HVO) hidrotermal üsulla uğurla sintez edilmişdir.Şəkildə SEM şəkli.Şəkil 1a göstərir ki, çökdürülmüş HWO 25-50 nm diapazonunda hissəcik ölçüləri olan nanohissəciklər qruplarından ibarətdir.
HWO-nun rentgen şüaları difraksiya nümunəsi müvafiq olaraq ~23,5° və ~47,5°-də zirvələri (001) və (002) göstərir, bunlar qeyri-stoixiometrik WO2.63 (W32O84) üçün xarakterikdir (PDF 077–0810, a = 21.4 Å, b = 17.8 Å, c = 3.8 Å, α = β = γ = 90°), bu da onun görünən mavi rənginə uyğundur (şək. 1b)48,49.Təxminən 20.5°, 27.1°, 28.1°, 30.8°, 35.7°, 36.7° və 52.7° olan digər zirvələr (140), (620), (350 ), (720), (740), (560) dərəcələrindədir.və (970) difraksiya müstəviləri, müvafiq olaraq, 49 ortorombik WO2.63.Sonqara və b.43 WO3(H2O)0,333-ün olması ilə əlaqələndirilən ağ məhsul əldə etmək üçün eyni sintetik üsuldan istifadə etmişdir.Bununla belə, bu işdə müxtəlif şərtlərə görə WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7,3 Å, b = 12,5 Å, c = 7,7 ) Å-da birgə mövcudluğunu göstərən mavi-boz məhsul əldə edilmişdir. , α = β = γ = 90°) və volfram oksidinin azaldılmış forması.X'Pert HighScore proqramı ilə yarı kəmiyyət təhlili 26% WO3(H2O)0,333: 74% W32O84 göstərdi.W32O84 W6+ və W4+ (1.67:1 W6+:W4+) ibarət olduğundan, W6+ və W4+ təxmini məzmunu müvafiq olaraq təxminən 72% W6+ və 28% W4+ təşkil edir.SEM təsvirləri, nüvə səviyyəsində 1 saniyəlik XPS spektrləri, TEM təsvirləri, FTIR spektrləri və C76 hissəciklərinin Raman spektrləri əvvəlki məqaləmizdə təqdim edilmişdir24.Kawada et al.50,51-ə görə, C76-nın rentgen difraksiya nümunəsi toluolun çıxarılmasından sonra FCC-nin monoklinik strukturunu göstərir.
Şəkildə SEM şəkilləri.2a və b, UCC elektrodlarının karbon lifləri üzərində və arasında HWO və HWO-50%C76-nın müvəffəqiyyətlə çökdürülməsini göstərir.Şəkil 2c-də SEM görüntüsündə volfram, karbon və oksigenin elementar xəritələşdirilməsi əncirdə göstərilmişdir.2d-f, volfram və karbonun elektrod səthi üzərində bərabər şəkildə qarışdırıldığını (oxşar paylandığını göstərir) və kompozitin bərabər şəkildə çökmədiyini göstərir.yağıntı üsulunun xarakterinə görə.
Depozit edilmiş HWO hissəciklərinin (a) və HWO-C76 hissəciklərinin (b) SEM təsvirləri.Şəkil (c) dəki sahədən istifadə edərək UCC-də HWO-C76-ya yüklənmiş EDX xəritəsi nümunədə volfram (d), karbon (e) və oksigenin (f) paylanmasını göstərir.
HR-TEM yüksək böyüdücü görüntüləmə və kristalloqrafik məlumat üçün istifadə edilmişdir (Şəkil 3).HWO Şəkil 3a-da və Şəkil 3b-də daha aydın şəkildə göstərildiyi kimi nanokub morfologiyasını nümayiş etdirir.Seçilmiş ərazinin diffraksiyası üçün nanokubun böyüdülməsi ilə Braqq qanununu təmin edən ızgara strukturu və difraksiya müstəviləri Şəkil 3c-də göstərildiyi kimi vizuallaşdırıla bilər ki, bu da materialın kristallığını təsdiq edir.Şəklin 3c əlavəsində müvafiq olaraq WO3(H2O)0,333 və W32O84, 43, 44, 49 fazalarında (022) və (620) difraksiya müstəvilərinə uyğun gələn d 3,3 Å məsafə göstərilir.Bu, yuxarıdakı XRD analizinə (Şəkil 1b) uyğundur, çünki müşahidə olunan ızgara müstəvisi məsafəsi d (Şəkil 3c) HWO nümunəsindəki ən güclü XRD zirvəsinə uyğundur.Nümunə üzüklər də əncirdə göstərilmişdir.3d, burada hər bir üzük ayrı bir müstəviyə uyğundur.WO3(H2O)0.333 və W32O84 təyyarələri müvafiq olaraq ağ və mavi rəngdədir və onların müvafiq XRD zirvələri də Şəkil 1b-də göstərilmişdir.Üzük nümunəsində göstərilən birinci halqa (022) və ya (620) difraksiya müstəvisinin rentgen naxışında ilk qeyd olunan zirvəyə uyğundur.(022) ilə (402) halqalar arasında 3.30, 3.17, 2.38, 1.93 və 1.69 Å olan d-məsafələri tapıldı ki, bu da XRD dəyərlərinin 3.30, 3.17, 2.45, 1.96 və 1.6.Å, 44, 45, müvafiq olaraq.
(a) HWO-nun HR-TEM şəkli, (b) böyüdülmüş təsviri göstərir.Barmaqlıq müstəvilərinin şəkilləri (c) bəndində göstərilib və əlavə (c) müstəvilərin böyüdülmüş şəklini və (002) və (620) müstəvilərinə uyğun gələn d 0,33 nm intervalını göstərir.(d) WO3(H2O)0.333 (ağ) və W32O84 (mavi) fazaları ilə əlaqəli təyyarələri göstərən HWO halqa nümunəsi.
Volframın səthi kimyasını və oksidləşmə vəziyyətini müəyyən etmək üçün XPS analizi aparılmışdır (Şəkillər S1 və 4).Sintezləşdirilmiş HWO-nun geniş diapazonlu XPS skanının spektri Şəkildə göstərilmişdir.Volfram varlığını göstərən S1.Əsas W 4f və O 1s səviyyələrinin XPS dar skan spektrləri Şek.müvafiq olaraq 4a və b.W 4f spektri W oksidləşmə vəziyyətinin bağlanma enerjisinə uyğun iki spin-orbit dubletinə bölünür. 37,8 və 35,6 eV bağlama enerjilərində W 4f5/2 və W 4f7/2 zirvələri W6+, zirvələri isə W-ə aiddir. 36,6 və 34,9 eV-də 4f5/2 və W 4f7/2, müvafiq olaraq W4+ vəziyyəti üçün xarakterikdir.Oksidləşmə vəziyyətinin (W4+) olması qeyri-stexiometrik WO2.63-ün əmələ gəlməsini daha da təsdiqləyir, W6+ olması isə WO3(H2O)0,333-ə görə stokiometrik WO3-ü göstərir.Quraşdırılmış məlumatlar göstərdi ki, W6+ və W4+ atom faizləri müvafiq olaraq 85% və 15% təşkil edir ki, bu da iki texnologiya arasındakı fərqi nəzərə alaraq XRD məlumatlarından təxmin edilən dəyərlərə nisbətən yaxındır.Hər iki üsul kəmiyyət məlumatını aşağı dəqiqliklə, xüsusən XRD ilə təmin edir.Bundan əlavə, iki üsul materialın müxtəlif hissələrini təhlil edir, çünki XRD toplu metoddur, XPS isə yalnız bir neçə nanometrə yaxınlaşan səth üsuludur.O 1s spektri 533 (22,2%) və 530,4 eV (77,8%) ilə iki zirvəyə bölünür.Birincisi OH-a, ikincisi isə WO-da qəfəsdəki oksigen bağlarına uyğundur.OH funksional qruplarının olması HWO-nun nəmləndirici xüsusiyyətlərinə uyğundur.
Nəmlənmiş HWO strukturunda funksional qrupların və əlaqələndirilmiş su molekullarının mövcudluğunu yoxlamaq üçün bu iki nümunə üzərində FTIR analizi də aparılmışdır.Nəticələr göstərir ki, HWO-50% C76 nümunəsi və FT-IR HWO nəticələri HWO-nun mövcudluğuna görə eyni görünür, lakin təhlilə hazırlıq zamanı istifadə edilən nümunənin müxtəlif miqdarına görə piklərin intensivliyi fərqlənir (şək. 5a). ).HWO-50% C76 Volfram oksidi pikindən başqa bütün fulleren 24 zirvələri göstərilmişdir.Şəkildə ətraflı təsvir edilmişdir.Şəkil 5a göstərir ki, hər iki nümunə HWO qəfəs strukturunda OWO-nun uzanan vibrasiyalarına aid edilən ~710/sm-də çox güclü geniş zolaq və WO-ya aid edilən ~840/sm-də güclü çiyin nümayiş etdirir.~1610/sm-də kəskin zolaq OH-nin əyilmə vibrasiyası ilə, ~3400/sm-də olan geniş udma zolağı isə hidroksil qrupunda OH-nin uzanan vibrasiyası ilə əlaqədardır43.Bu nəticələr Şəkil 4b-dəki XPS spektrinə uyğundur, burada WO funksional qrupu VO2+/VO2+ reaksiyası üçün aktiv yerlər təmin edə bilər.
HWO və HWO-50% C76-nın FTIR təhlili (a) funksional qrupları və təmas bucağı ölçmələrini göstərən (b, c).
OH qrupu həmçinin VO2+/VO2+ reaksiyasını kataliz edə bilər, bununla da elektrodun hidrofilliyini artırır, bununla da diffuziya və elektron ötürmə sürətlərini artırır.HWO-50% C76 nümunəsi şəkildə göstərildiyi kimi əlavə C76 pikini göstərir.~2905, 2375, 1705, 1607 və 1445 sm3-də zirvələr müvafiq olaraq CH, O=C=O, C=O, C=C və CO uzanan vibrasiyalara aid edilə bilər.Məlumdur ki, C=O və CO oksigen funksional qrupları vanadiumun redoks reaksiyaları üçün aktiv mərkəz kimi xidmət edə bilər.İki elektrodun ıslanma qabiliyyətini yoxlamaq və müqayisə etmək üçün Şəkil 5b, c-də göstərildiyi kimi təmas bucağı ölçülərindən istifadə edilmişdir.HWO elektrodu dərhal su damcılarını udur və bu, mövcud OH funksional qruplarına görə superhidrofilliyi göstərir.HWO-50% C76 daha hidrofobikdir, təmas bucağı 10 saniyədən sonra təxminən 135°-dir.Bununla belə, elektrokimyəvi ölçmələrdə HWO-50%C76 elektrodu bir dəqiqədən az müddətdə tamamilə isladıldı.Nəmlənmə qabiliyyətinin ölçülməsi XPS və FTIR nəticələrinə uyğundur və bu, HWO səthində daha çox OH qrupunun onu nisbətən daha hidrofilik etdiyini göstərir.
HWO və HWO-C76 nanokompozitlərinin VO2+/VO2+ reaksiyaları sınaqdan keçirilmiş və HWO-nun qarışıq turşularda VO2+/VO2+ reaksiyaları zamanı baş verən xlor qazının təkamülünü boğacağı, C76 isə arzu olunan VO2+/VO2+-nı əlavə katalizləyəcəyi gözlənilirdi.Tərkibində 10%, 30% və 50% C76 olan HWO suspenziyaları ümumi yükü təxminən 2 mq/sm2 olan UCC elektrodlarına tətbiq edilmişdir.
Şəkildə göstərildiyi kimi.6, elektrod səthində VO2+/VO2+ reaksiyasının kinetikası qarışıq turşu elektrolitlərində CV-dən istifadə etməklə tədqiq edilmişdir.ΔEp və Ipa/Ipc müqayisəsini asanlaşdırmaq üçün cərəyanlar I/Ipa kimi göstərilir.Müxtəlif katalizatorlar birbaşa şəkildən əldə edilir.Cari sahə vahidi məlumatları Şəkil 2S-də göstərilmişdir.Əncirdə.Şəkil 6a göstərir ki, HWO elektrod səthində VO2+/VO2+ redoks reaksiyasının elektron ötürülmə sürətini bir qədər artırır və xlorun parazitar təkamül reaksiyasını boğur.Bununla belə, C76 elektron ötürmə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə artırır və xlorun təkamül reaksiyasını katalizləyir.Buna görə də, HWO və C76-nın düzgün tərkibi olan bir kompleks ən yaxşı aktivliyə və xlor reaksiyasını maneə törətmək üçün ən yüksək qabiliyyətə malik olmalıdır.Müəyyən edilmişdir ki, C76 tərkibinin artırılmasından sonra elektrodun elektrokimyəvi aktivliyi yaxşılaşmışdır, bunu ΔEp-nin azalması və Ipa/Ipc nisbətinin artması sübut edir (Cədvəl S3).Bu, Şəkil 6d-də (cədvəl S3) Nyquist süjetindən çıxarılan RCT dəyərləri ilə də təsdiqləndi, burada C76 məzmununun artması ilə RCT dəyərlərinin azaldığı aşkar edildi.Bu nəticələr həm də Linin araşdırmasına uyğundur ki, burada mezoporozlu karbonun mezoporoz WO3-ə əlavə edilməsi VO2+/VO2+35-də yük ötürmə kinetikasını yaxşılaşdırıb.Bu onu göstərir ki, müsbət reaksiya daha çox elektrodun keçiriciliyindən asılı ola bilər (C=C rabitəsi)18,24,35,36,37.[VO(H2O)5]2+ və [VO2(H2O)4]+ arasında koordinasiya həndəsəsinin dəyişməsi ilə əlaqədar olaraq, C76 toxuma enerjisini azaltmaqla cavab həddən artıq gərginliyini də azalda bilər.Lakin HWO elektrodları ilə bu mümkün olmaya bilər.
(a) 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elektrolitində (ν = 5 mV/s-də) VO2+/VO2+ reaksiyalarında müxtəlif HWO:C76 nisbətlərinə malik UCC və HWO-C76 kompozitlərinin tsiklik voltametrik davranışı.(b) Randles-Sevchik və (c) diffuziya səmərəliliyinin qiymətləndirilməsi və k0 qiymətlərinin alınması üçün Nikolsonun VO2+/VO2+ üsulu (d).
HWO-50% C76 yalnız VO2+/VO2+ reaksiyası üçün C76 ilə demək olar ki, eyni elektrokatalitik aktivliyi nümayiş etdirmədi, daha maraqlısı odur ki, şəkildə göstərildiyi kimi C76 ilə müqayisədə xlor qazının təkamülünü əlavə olaraq yatırtdı.6a, əncirdə kiçik yarımdairəni göstərməkdən əlavə.6 q (aşağı RCT).C76, HWO-50% C76-dan (Cədvəl S3) daha yüksək aydın Ipa/Ipc göstərdi, bu, reaksiyanın geri çevrilməsinin yaxşılaşmasına görə deyil, SHE ilə müqayisədə 1,2 V-də xlorun azaldılması pik ilə üst-üstə düşməsi səbəbindən.HWO-50% C76-nın ən yaxşı performansı mənfi yüklü yüksək keçirici C76 ilə HWO-da W-OH-nin yüksək nəmlənmə qabiliyyəti və katalitik funksiyaları arasındakı sinerji ilə əlaqələndirilir.Daha az xlor emissiyası tam hüceyrənin doldurma səmərəliliyini artırsa da, təkmilləşdirilmiş kinetik tam hüceyrə gərginliyinin səmərəliliyini artıracaq.
S1 tənliyinə uyğun olaraq, diffuziya ilə idarə olunan kvazi-reversiv (nisbətən yavaş elektron ötürülməsi) reaksiya üçün pik cərəyan (İP) elektronların sayından (n), elektrod sahəsindən (A), diffuziya əmsalından (D), sayından asılıdır. elektron ötürmə əmsalı (α) və tarama sürəti (ν).Test edilmiş materialların diffuziya ilə idarə olunan davranışını öyrənmək üçün IP və ν1/2 arasındakı əlaqə qurulmuş və Şəkil 6b-də göstərilmişdir.Bütün materiallar xətti əlaqə göstərdiyi üçün reaksiya diffuziya ilə idarə olunur.VO2+/VO2+ reaksiyası kvazireversiv olduğundan, xəttin mailliyi diffuziya əmsalından və α-nın qiymətindən asılıdır (tənlik S1).Sabit diffuziya əmsalı (≈ 4 × 10-6 sm2 / s)52 sayəsində, xəttin yamacındakı fərq birbaşa α-nın müxtəlif qiymətlərini və deməli, C76 və HWO -50 ilə elektrod səthinə müxtəlif elektron köçürmə sürətlərini göstərir. % C76, ən dik yamacları nümayiş etdirir (ən yüksək elektron ötürmə sürəti).
Cədvəl S3-də (Şəkil 6d) göstərilən hesablanmış aşağı tezlikli Warburg yamacları (W) bütün materiallar üçün 1-ə yaxın dəyərlərə malikdir, bu, redoks hissəciklərinin mükəmməl yayılmasını göstərir və CV üçün ν1/2 ilə müqayisədə IP-nin xətti davranışını təsdiqləyir.ölçmələr.HWO-50% C76 üçün Warburq yamacı birlikdən 1.32-ə qədər kənara çıxır, bu, təkcə reaktivlərin yarı sonsuz diffuziyasından (VO2+) deyil, həm də elektrod məsaməliliyinə görə diffuziya davranışında nazik təbəqə davranışından da təsir göstərir.
VO2+/VO2+ redoks reaksiyasının reversivliyini (elektron ötürmə sürətini) əlavə təhlil etmək üçün k041.42 standart sürət sabitini təyin etmək üçün Nikolson kvazi-reversiv reaksiya metodundan da istifadə edilmişdir.Bu, S2 tənliyindən istifadə edərək, ölçüsüz kinetik parametr Ψ-nin ΔEp funksiyası kimi ν−1/2 funksiyası kimi qrafikini çəkməklə həyata keçirilir.Cədvəl S4 hər bir elektrod materialı üçün əldə edilən Ψ dəyərlərini göstərir.Hər bir sahənin yamacı üçün S3 tənliyindən istifadə edərək k0 × 104 sm/s (hər cərgənin yanında yazılır və Cədvəl S4-də təqdim olunur) əldə etmək üçün nəticələri (Şəkil 6c) tərtib edin.HWO-50% C76-nın ən yüksək yamac (Şəkil 6c) və buna görə də ən yüksək k0 dəyəri 2,47 × 10-4 sm/s olduğu aşkar edilmişdir.Bu o deməkdir ki, bu elektrod Şəkil 6a və d və Cədvəl S3-də CV və EIS nəticələrinə uyğun ən sürətli kinetikanı təmin edir.Bundan əlavə, k0 dəyərləri RCT dəyərlərindən istifadə edərək S4 tənliyinin Nyquist qrafiklərindən (Şəkil 6d) əldə edilmişdir (Cədvəl S3).EIS-dən alınan bu k0 nəticələri Cədvəl S4-də ümumiləşdirilmişdir və həmçinin göstərir ki, HWO-50% C76 sinergetik təsirə görə ən yüksək elektron ötürmə sürətini nümayiş etdirir.Hər bir metodun fərqli mənşəyinə görə k0 dəyəri fərqli olsa da, yenə də eyni böyüklük sırasını göstərir və ardıcıllıq göstərir.
Əldə edilə bilən mükəmməl kinetikanı tam başa düşmək üçün optimal elektrod materialını izolyasiya edilməmiş UCC və TCC elektrodları ilə müqayisə etmək vacibdir.VO2+/VO2+ reaksiyası üçün HWO-C76 nəinki ən aşağı ΔEp və daha yaxşı geri dönmə qabiliyyətini göstərdi, həm də TCC ilə müqayisədə parazitar xlorun təkamül reaksiyasını əhəmiyyətli dərəcədə boğdu, OHA ilə müqayisədə 1,45 V-də əhəmiyyətli bir cərəyan düşməsi ilə göstərildi (Şəkil 2). 7a).Stabillik baxımından biz HWO-50% C76-nın fiziki cəhətdən sabit olduğunu güman etdik, çünki katalizator PVDF bağlayıcı ilə qarışdırılıb və sonra karbon parça elektrodlarına tətbiq edilib.UCC üçün 50 mV ilə müqayisədə, HWO-50% C76 150 dövrədən sonra 44 mV-lik pik sürüşmə göstərdi (deqradasiya dərəcəsi 0,29 mV/dövlə) (Şəkil 7b).Bu, böyük bir fərq olmaya bilər, lakin UCC elektrodlarının kinetikası çox yavaşdır və velosipedlə, xüsusən də geri reaksiya üçün pisləşir.TCC-nin reversibilliyi UCC-dən qat-qat yaxşı olsa da, TCC-nin 150 dövrədən sonra 73 mV-lik böyük pik sürüşməsinə malik olduğu müəyyən edilmişdir ki, bu da onun səthindən çoxlu miqdarda xlorun ayrılması ilə əlaqədar ola bilər.Katalizatorun elektrod səthinə yaxşı yapışmasını təmin etmək üçün.Sınaq edilən bütün elektrodlarda göründüyü kimi, hətta dəstəklənən katalizatorları olmayanlar da müxtəlif dərəcələrdə dövriyyə qeyri-sabitliyi nümayiş etdirirlər ki, bu da velosiped sürmə zamanı pik ayrılmanın dəyişməsinin katalizatorun ayrılmasından daha çox kimyəvi dəyişikliklər nəticəsində materialın deaktivasiyası ilə bağlı olduğunu göstərir.Həmçinin, əgər böyük miqdarda katalizator hissəcikləri elektrod səthindən ayrılsaydı, bu, pik ayrılmanın əhəmiyyətli dərəcədə artmasına səbəb olardı (yalnız 44 mV deyil), çünki substrat (UCC) VO2+/VO2+ üçün nisbətən qeyri-aktivdir. redoks reaksiyası.
CV (a) və optimal elektrod materialının CCC ilə bağlı redoks reaksiyasının VO2+/VO2+ (b) sabitliyinin müqayisəsi.0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl elektrolitində bütün CV-lər ν = 5 mV/s-ə bərabərdir.
VRFB texnologiyasının iqtisadi cəlbediciliyini artırmaq üçün yüksək enerji səmərəliliyinə nail olmaq üçün vanadium redoks reaksiyasının kinetikasını təkmilləşdirmək və başa düşmək vacibdir.HWO-C76 kompozitləri hazırlanmış və onların VO2+/VO2+ reaksiyasına elektrokatalitik təsiri öyrənilmişdir.HWO az kinetik inkişaf göstərdi, lakin qarışıq turşu elektrolitlərində xlor təkamülünü əhəmiyyətli dərəcədə boğdu.HWO əsaslı elektrodların kinetikasını daha da optimallaşdırmaq üçün müxtəlif HWO:C76 nisbətləri istifadə edilmişdir.C76-nın tərkibinin HWO-ya artırılması dəyişdirilmiş elektrodda VO2+/VO2+ reaksiyasının elektron ötürmə kinetikasını yaxşılaşdıra bilər, bunların arasında HWO-50% C76 ən yaxşı materialdır, çünki yük ötürülməsi müqavimətini azaldır və xlor qazının təkamülünü daha da azaldır. C76.və TCC buraxılır.Bu, C=C sp2 hibridləşməsi, OH və W-OH funksional qrupları arasında sinergik təsirlə bağlı idi.HWO-50% C76-nın deqradasiya dərəcəsi çoxlu dövriyyədə 0,29 mV/dövrə, UCC və TCC isə müvafiq olaraq 0,33 mV/dövlə və 0,49 mV/dövrə bərabər olub, qarışıq turşu elektrolitlərində onu çox sabit edir.Təqdim olunan nəticələr sürətli kinetik və yüksək sabitliyə malik VO2+/VO2+ reaksiyası üçün yüksək performanslı elektrod materiallarını uğurla müəyyən edir.Bu, çıxış gərginliyini artıracaq, bununla da VRFB-nin enerji səmərəliliyini artıracaq və bununla da onun gələcək kommersiyalaşdırılması xərclərini azaldacaq.
Cari tədqiqatda istifadə edilən və/yaxud təhlil edilən məlumat dəstləri əsaslı sorğu əsasında müvafiq müəlliflərdən əldə edilə bilər.
Luderer G. et al.Qlobal Aşağı Karbon Enerji Ssenarilərində Külək və Günəş Enerjisinin Qiymətləndirilməsi: Giriş.Enerji İqtisadiyyatı.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. və Kim, H. MnO2 çöküntüsünün vanadium manqan redoks axını batareyalarının performansına təsirinin təhlili.J. Elektrokimya.cəmiyyət.165(5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Şah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA və Walsh, FK Tam vanadium redoks axını batareyası üçün dinamik vahid hüceyrə modeli.J. Elektrokimya.cəmiyyət.158(6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA və Mench, MM Tam vanadium redoks axını batareyası üçün in-situ potensial paylanma ölçülməsi və yoxlama modeli.J. Elektrokimya.cəmiyyət.163(1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. və Suzuki, T. Elektrod strukturunu optimallaşdırmaq üçün interdigitated flux sahəsi ilə vanadium redoks batareyasının modelləşdirilməsi və simulyasiyası.J. Elektrokimya.cəmiyyət.167(2), 020553. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. və Skillas-Kazakos, M. Vanadium Redoks Batareyalarında Tətbiq üçün Qrafit Elektrod Materiallarının Modifikasiyası – I. İstilik müalicəsi.elektrokimya.Acta 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H. və Chen, J. Vanadium axını batareyalarında (VFB) güc sıxlığını yaxşılaşdırmaq üçün elektrod materiallarında irəliləyişlər.J. Enerji Kimyası.27(5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH et al.Optimallaşdırılmış elektrod konfiqurasiyası və membran seçimi ilə yüksək səmərəli vanadium redoks axını hüceyrəsi.J. Elektrokimya.cəmiyyət.159(8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., and Yang, K. Karbonlu kompozit karbon nanoboru katalizator elektrodları vanadium redoks batareyası tətbiqləri üçün dəstək hiss etdi.J. Enerji təchizatı.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y., and Kwon, Y. Effect of vismut sulfate decated on acidified CNTs on performance on vanadium redox axını batareyaları.J. Elektrokimya.cəmiyyət.166(12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.Gözləmək.Vanadium redoks axını batareyaları üçün platin/çoxdivarlı karbon nanoborucuqları ilə dəyişdirilmiş aktiv elektrodlar.J. Elektrokimya.cəmiyyət.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Lakin, S. et al.Vanadium-redoks axını batareyası orqanometalik iskelelərdən əldə edilən azot qatqılı karbon nanoborucuqları ilə bəzədilmiş elektrokatalizatorlardan istifadə edir.J. Elektrokimya.cəmiyyət.165(7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. et al.Qrafen oksidi nano vərəqləri vanadium redoks axını batareyaları üçün VO2+/ və V2+/V3+ redoks cütləri üçün əla elektrokimyəvi aktiv materiallar kimi.Karbon 49(2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z. et al.Vanadium redoks batareyaları üçün qrafenlə dəyişdirilmiş qrafitin əla elektrokimyəvi performansı.J. Enerji təchizatı.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. və Santamaria R. Vanadium redoks axını batareyalarında nanostrukturlu elektrod materialları kimi karbon nanovall filmləri.Nano Enerji 1(6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J. və Yung H. Yüksək performanslı vanadium redoks axını batareyaları üçün üçölçülü qrafenlə dəyişdirilmiş mesoporous karbon keçişi.elektrokimya.Qanun 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).