华北理工大学王岭教授和何章兴教授团队Small综述：面向全钒液流电池电极的碳结构调控策略- 大数跨境

首页

华北理工大学王岭教授和何章兴教授团队Small综述：面向全钒液流电池电极的碳结构调控策略

科学材料站

2024-07-12

导读：华北理工大学王岭教师和何章兴教授Small综述：面向全钒液流电池电极的碳结构调控策略

科学材料站

文章信息

面向全钒液流电池电极的碳结构调控策略

第一作者：程图康

通讯作者：蒋英巧*，王岭*，何章兴*

单位：华北理工大学化学工程学院

科学材料站

研究背景

全钒液流电池（VRFB）是一种以大容量、长期耐用、高安全性着称的储能装置。它是解决可再生能源不稳定和间歇性问题的有效解决方案。碳基材料由于成本低和稳定性良好而被广泛用作VRFB电极。然而，原始电极需要进行适当的修饰，以克服原来较差的亲水性和较少的反应活性位点。碳结构调整被认为是提高电极电化学活性的可行方法。本文深入探讨了有序和无序碳结构电极的研究进展，包括调节方法、结构特征和催化性能。有序碳结构根据尺寸分为纳米级和宏观级有序性，分别提高电极的电导率和电化学活性。无序碳结构调控包括掺杂原子、接枝官能团、创建孔结构和衍生碳缺陷等方法，以增强电极的活性位点和亲水性。基于当前电极碳结构的研究成果，对碳电极未来的发展提出了一些可行性前瞻。

科学材料站

文章简介

近日，来自华北理工大学的王岭教授、何章兴教授和蒋英巧博士在国际知名期刊Small上发表题为“Carbon Structure Regulation Strategy for the Electrode of Vanadium Redox Flow Battery”的综述文章。该文章深入探讨了有序和无序碳结构电极的研究进展，同时基于当前碳电极结构的研究成果，对电极碳结构的未来发展提出了一些可行性前瞻。

科学材料站

本文要点

要点一：碳基电极碳结构有序和无序调控策略

碳材料的结构决定其功能。碳结构有序调控策略根据尺寸分为纳米级和宏观级有序，纳米级有序是电极碳原子排列有序，杂化方式为sp²，其石墨化程度增高，碳纤维框架中石墨域数量增加，石墨层间空间减少，最终通过增强π键的共振效应和促进π电子的运动来提高导电性。除了常用的碳基电极外，新型宏观有序电极利用简单的生产工艺得到复杂的互连多孔网络。这些宏观有序性的电极通常使用3D打印和碳化工艺等增材技术制备。该技术产生的电极具有均匀的尺寸和有序的孔，大大增强了活性材料的传质，并提高VRFB的能量效率。碳结构无序调控策略往往在碳材料中掺杂其他非金属杂原子或表面接枝官能团。这两种调控策略在电极的原子尺度上发挥作用，以增强电催化活性。刻蚀或造孔也会增加材料的无序结构，刻蚀或形成孔后，碳材料会形成不同尺寸的孔，从而增加活性位点并加速传质。此外，除了碳平面上的固有的少量缺陷可以作为钒离子的活性位点外，碳平面上的构造缺陷也可以促进更多钒离子的吸附，加速钒的氧化还原反应。以上两种策略主要讨论碳基电极的有序和无序控制策略。然而，VRFB电极面临的挑战很复杂，主要包括电子传输较弱、活性物质扩散缓慢和电荷转移迟缓。没有任何单一策略可以同时改进所有三个流程。因此，研究人员通常采用有序和无序策略相结合的方式来提高VRFB的整体性能。

图1. 电极碳结构调控策略的概述。

要点二：近年来关于集中在调控VRFB中电极碳结构代表性工作的时间轴图

VRFB电极面临的挑战是多方面的，包括电子传输较弱、活性物质扩散缓慢和电荷转移迟缓。研究人员“对症下药”，通过调控电极碳结构来针对性解决上述问题，以下是近年来关于集中在调控VRFB中电极碳结构代表性工作的时间轴图。

图2. 近年来关于集中在调控VRFB中电极碳结构代表性工作的时间轴图。

要点三：VRFB中电极碳结构调控的机理

有序碳结构调控策略根据尺寸分为纳米级和宏观级有序性，从而提高电极的电导率和电化学性能。无序碳结构调控策略包括掺杂原子、接枝官能团、创建孔、衍生碳结构缺陷等方法，以增强电极的活性位点和亲水性等。

图3. VRFB中电极碳结构调控的机理。

要点四：碳结构调控在全钒液流电池中的应用前景。

最后，在总结现有碳结构调控的基础上，提出了VRFB电极碳结构调控的关键问题和可行性展望。

(a) 平衡碳结构调控策略。具有适度石墨化的碳电极表现出最佳性能。过度石墨化会减少边缘平面的数量，导致电化学性能下降。展望未来，碳电极调控的重点应涉及结合有序和无序碳结构策略的平衡方法。在保证电极导电性的同时，还应引入缺陷作为钒氧化还原反应的活性位点，从而改善VRFB的整个电极反应过程。

(b) 结合先进的表征和计算。在电化学反应过程中施加电场可以导致碳骨架的结构变化，因此探索活性位点中潜在的结构转变至关重要。先进的原位表征技术，如原位X射线衍射、X射线光电子能谱、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)，可以实时观察反应过程中碳结构的变化，为揭示碳结构基本催化机制提供更具体的证据。密度泛函理论（DFT）是一种用于研究多电子系统电子结构的方法，有助于研究人员分析钒氧化还原反应的原子级机制。通过DFT和实验数据验证，可以确定实际的活性位点和催化机制。先进的原位表征技术和理论计算的集成将对VRFB的进步产生重大影响。

(c) 探索碳缺陷的协同功能。目前，常用的VRFB电极电化学表征技术包括循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)。然而，这些技术仅限于评估电极的整体性能，并且不能深入了解电极上反应位点的具体作用。碳缺陷对于深入研究钒氧化还原反应的催化机理至关重要。然而，很少有研究探讨碳结构缺陷之间的协同效应。显然，未来VRFB电极应优先研究碳结构内部和外部缺陷的协同效应。

(d) 可控地调整碳结构。目前VRFB电极改性的挑战集中在如何精确调整碳结构中的缺陷。电极加工过程中的各种过程都会导致C-C键的破坏和重新排列。如高温碳化、无定形碳和石墨化碳的相互转化、杂原子的引入和脱除等。此外，这些变化通常是不可逆转的。因此，更可控、更精确和创新的电极修饰技术的进步可以直接加速VRFB技术的广泛采用。利用3D打印和立体光刻等增材制造技术，可以根据需要定制功能电极，从而实现自上而下的高性能电极的设计和制造。

(a) 平衡有序和无序调控策略。(b) 结合先进的表征和计算。

科学材料站

文章链接

Carbon Structure Regulation Strategy for the Electrode of Vanadium Redox Flow Battery

https://doi.org/10.1002/sml.202400496

科学材料站

通讯作者简介

蒋英巧，华北理工大学讲师，在全钒液流电池电极设计、催化剂开发及催化机理探究领域开展了系统的研究工作，在国内外重要期刊发表高水平学术论文10余篇。在项目方面，承担河北省博士研究生创新项目，参与了国家自然科学基金、河北省自然科学基金杰出青年项目、河北省教育厅青年拔尖人才项目等多项课题。

王岭教授，华北理工大学教授，博士生导师，于1998年在北京科技大学获得工学博士学位。1999.3-1999.10以访问学者的身份赴英国利兹大学进行合作研究。2001年2月至2003年9月在英国剑桥大学材料科学与冶金系从事博士后研究工作，担任中国硅酸盐学会固态离子分会理事。主要研究方向为固体电解质的制备及新型电化学传感器、新能源材料制备及高性能化学电池。在"Sensors and Actuators"，"Journal of Electroanalytical Chemistry"，“分析化学”等重要刊物发表学术论文100余篇。近年来作为主持人完成和承担国家自然科学基金项目5项，省部级项目6项，获省级奖励3项，曾获得全国模范教师、河北省劳动模范和河北省教学名师等荣誉称号。

何章兴教授，华北理工大学教授，硕士生导师，河北省“杰出青年”基金获得者，主要致力于能源转换与存储领域相关研究工作，研究方向为水系锌离子电池、全钒液流电池等。主持国家自然科学基金项目、河北省自然科学基金杰出青年基金、河北省教育厅青年拔尖人才项目等多项课题。近年来，以第一或通讯作者在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano-Micro Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., ACS Nano, Energy Storage Mater., Sci. Bull., J. Energy Chem., J. Mater. Sci. Technol.等高水平期刊发表SCI学术论文100余篇，其中中科院一区论文50余篇。主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金杰出青年基金、河北省教育厅青年拔尖人才项目、华北理工大学杰出青年基金等课题。