华北理工大学何章兴教授CEJ：基于MOF构筑石墨毡基复合电极助力高性能全钒液流电池- 大数跨境

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华北理工大学何章兴教授CEJ：基于MOF构筑石墨毡基复合电极助力高性能全钒液流电池

科学材料站

2021-03-08

导读：该研究论文首次提出以MOF衍生的金属氧化物和多孔碳复合材料为催化剂，设计了具有活性位点密度高、分散性好、导电性高、稳定性高的电极，助力高性能全钒液流电池。

本文要点

基于MOF构筑石墨毡基复合电极助力高性能全钒液流电池

第一作者：蒋英巧

通讯作者：何章兴*，戴磊*，王岭*

单位：华北理工大学

研究背景

石墨毡由于低成本、良好的化学稳定性、优异的机械性能等诸多优势，是钒电池（全钒液流电池）的理想电极材料。然而，由于石墨毡亲水性较差，且不能为电极反应提供足够的活性位点，阻碍了电极表面活性物质进行扩散和反应。在石墨毡表面进行催化剂修饰，从而打破电极反应动力学壁垒，获取高性能电极，已成为目前电极改性的研究热点。

金属氧化物具有种类丰富、成本低、可调性高等优点，很多金属氧化物已被报道对钒氧化还原反应具有优异的催化性能。然而，金属氧化物存在导电性低、易团聚、难分散、结合力弱等问题，限制了金属氧化物在钒电池中的应用。

MOF可以作为前驱体制备纳米多孔碳材料，MOF中金属节点和杂原子排列规则，这使得它们容易形成均匀分布的金属化合物和其他掺杂物。近年来，MOF衍生的复合材料已被广泛应用于超级电容器、固态电池和多相催化等诸多领域。

迄今为止，尚未有报道基于MOF开发的金属氧化物/碳复合材料应用于VRFB。

文章简介

近日，华北理工大学的王岭教授与何章兴教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Promoting vanadium redox flow battery performance by ultra-uniform ZrO2@C from metal-organic framework”的研究论文。

该研究论文首次提出以MOF衍生的金属氧化物和多孔碳复合材料为催化剂，设计了具有活性位点密度高、分散性好、导电性高、稳定性高的电极，助力高性能全钒液流电池。

金属氧化物纳米颗粒与多孔碳之间的强相互作用和有序排列可提高金属氧化物的导电性和利用率；另外，通过原位生长进行电极修饰，保证了催化剂良好的分散性和较强的附着力。

因此，MOF衍生的复合材料可为钒氧化还原反应提供更多的活性位点、更大的反应场所和良好的导电性，其改性的石墨毡可以通过金属氧化物和多孔碳结构的协同作用提升全钒液流电池的综合性能。

本文要点

要点一：原位构建高分散ZrO2@C/GF复合电极

UiO-66（Zr-MOF）原位生长在石墨毡的表面，具有优异的分散性

进一步经过碳化获得ZrO2@C/GF复合电极，电极与催化剂之间具有强的结合力；Zr-MOF碳化后形成纳米多孔结构，以多孔碳为基体，嵌入ZrO2纳米颗粒，提高了ZrO2的分散性和导电性，实现了多孔碳和ZrO2协同催化钒氧化还原反应。

图1 ZrO2@C/GF的制备过程（a），GF（b）、ZrO2@C/GF（c）和ZrO2@C（d）的形貌和ZrO2@C/GF元素分布图（e, f, g）

要点二：ZrO2@C展现出对钒氧化还原反应优异的催化能力

ZrO2@C具有多孔的碳框架，并均匀嵌入高催化活性的ZrO2，使得ZrO2@C具有大比表面积、高密度活性位点、良好导电性，为钒氧化还原反应提供了更多的活性场所和活性位点，通过离子扩散、电荷转移和电子传输系统地促进了电极反应，提高了钒氧化还原反应的动力学过程和可逆性。

图2 ZrO2@C/GF和GF的电化学性能

要点三：ZrO2@C改性获取高性能VRFB

ZrO2@C促进了电极反应动力学，从而降低了电池极化，提高了电池的容量、电解液利用率和能量效率。

在200 mA cm-2时，改性电池的能量效率提高了13.9%，改性电池的工作电流密度可高达300 mA cm-2，电池能量效率为62.4%，优于目前已报道的所有有关金属氧化物改性的钒电池性能。

另外，得益于ZrO2@C原位生长方式和ZrO2@C的高稳定性，电池在500次循环的过程中，电池的能量效率未出现衰减，呈现出优异的稳定性。

图3 空白和改性电池在不同电流密度下的放电容量（a），电压效率（b）、能量和电流效率（c）的性能对比，空白和改性电池的稳定性能对比（d）

要点四：前瞻

该研究基于MOF，提出了同时兼具纳米尺度、高导电性、良好的附着力和超均匀分布等优点的电极改性策略。鉴于MOF具有3D的独特结构和丰富的种类，可开发更多MOF衍生材料，应用于全钒液流电池及其他储能领域。

文章链接

Promoting vanadium redox flow battery performance by ultra-uniform ZrO2@C from metal-organic framework

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129014

通讯作者介绍

何章兴，教授，硕士生导师。

2013年于中南大学获应用化学专业博士学位，2014年就职于华北理工大学化学工程学院。主要致力于全钒液流电池、水系锌离子电池、水系锂离子电池等研究。主持国家自科、河北省杰青、河北省教育厅青年拔尖人才项目等多项课题。以第一或通讯作者在J. Energy Chem.，J. Mater. Sci. Technol.，无机材料学报，ACS Nano，Chem. Eng. J.，Carbon，J. Colloid. Interf. Sci.，Electrochim. Acta等国际SCI期刊发表学术论文70余篇，一区论文40余篇。荣获2020年度中国可再生能源学会科技进步奖二等奖。

课题组介绍

王岭和戴磊教授材料电化学科研团队主要从事能源与环境领域相关研究，包括电化学传感器、液流电池、固态电池等，主持国家自科基金、省重点基金、省组织部青年拔尖人才项目、省杰青等多项课题，与首钢和广西玉柴等多家企业合作进行技术开发。在Adv. Energy Mater.，J. Hazard. Mater.，Sensor. Actuat. B，Carbon等期刊发表论文150余篇，曾入选ESI高被引论文14篇，热点论文1篇。荣获河北省自然科学奖2项。