第一作者：秦野

通讯作者：张开悦

通讯单位：沈阳理工大学

DOI：10.1016/j.est.2026.124661

感谢沈阳理工大学张开悦团队校稿！

工作简介

《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》

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研究背景

核心内容

1.形貌特征分析

图1.(a)折纸形V₂CTx的SEM图像；(b)片状V₂CTx的SEM图像；(c)V₂CTx-S的SEM图像；(d–f)CF@V₂CTx-S在不同放大倍数下的SEM图像；(g)V₂CTx-S与CF@V₂CTx-S的EDS元素分布图

V₂CTx经刻蚀后的SEM图像显示当Al层被HF刻蚀去除时，材料呈现出典型的手风琴状结构。若将此类手风琴状V₂CTx依次经离心、振荡及超声处理，多层表面则呈现剥离趋势。V₂CTx经剥离及冷冻干燥后的SEM图像显示V₂CTx呈现不规则片状结构，此现象源于冷冻干燥特有的真空环境所提供的足够压差与表面张力，促使V₂CTx悬浮液体积膨胀，层间距增大；在冷冻后期阶段，V₂CTx失去层间结合水，进而趋于卷曲。V2CTx-S的SEM图像显示中空心微球直径约为1.8μm，表面光滑；微球表面缺失区域源于MF模板在烧结及样品制备过程中的机械研磨时气体逸出，可能具备空心球形结构特性。V2CTx空心微球的元素分布显示V、C、O及N元素在空心微球表面呈均匀分布。通过MF模板微球烧结法引入的氮元素占比为6.2%。氮元素与氧元素的共同引入，可丰富微球表面官能团的多样性，进而增强其亲水性。负载于碳毡纤维表面的V₂CTx-S的显微图像显示高倍镜下可见纤维直径约为10μm，表面分布着尺寸相近的微球，且仍残留部分微球外壳结构；低倍电镜图像显示V₂CTx-S在纤维表面分布相对均匀且含量丰富。

2.ζ电位、XRD和亲水性测试

图2.(a)V₂CTx-S的EDS元素分布图；(b)MF与V₂CTx悬浮液的Zeta电位分布图；(c)V₂AlC、V₂CTx及V₂CTx-S的XRD；(d)V₂AlC、V₂CTx及V₂CTx-S的局部放大XRD；(e)原始CF电极与CF@V₂CTx-S电极在60秒内的动态接触角演变曲线；(f)CF@V₂CTx-S电极上电解质液滴的延时快照

Zeta电位显示MF微球水分散体的Zeta电位为36.7mV，而V₂CTx水分散体的Zeta电位为−23.5mV，归因于V₂CTx表面丰富的官能团。因此，V₂CTx与MF微球水分散体通过静电引力形成了核壳结构构型，从而为自组装机制提供了可靠的理论验证。此外，XRD显示位于13.4°、27.1°、35.5°、41.2°等角度的MAX相衍射峰与V₂AlC的标准衍射图谱高度吻合。与V₂AlC相比，V₂CTx中对应于Al晶面的衍射峰强度显著降低。此外，(002)衍射峰向较小角度移动，表明层间距增大且Al层被成功刻蚀。结合局部放大XRD图谱可观察到V₂CTx-S的(002)衍射峰移至5.34°，相较于V₂CTx的6.12°更为明显。同时，V₂CTx-S的相应层间距从V₂CTx的14.4Å扩展至16.5Å，归因于V₂CTx片层在空心球形结构内完全剥离的现象。

此外，原始CF电极表现出129.2°的高初始接触角，且下降速率极慢，证实了固有的疏水特性。相比之下，CF@V₂CTx-S电极的初始接触角较低，为86.3°，随后在10秒内迅速降至63.3°，之后趋于稳定。接触角的快速衰减表明V₂CTx-S涂层显著提升了CF基底材料的表面亲水性，从而促进电解质高效渗透，并增强氧化还原反应中活性位点的利用率。

3.电化学表征

图3.a)CF与CF@V₂CTx-S在10mV s⁻¹下的CV曲线；(b)CF@V₂CTx-S在20mV s⁻¹下的多循环CV曲线；(c)CF@V₂CTx-S在不同扫描速率下的CV曲线；(d)扫描速率与-Iₚ/Iₚc比值及ΔEₚ的相关性；(e)峰电流(Iₚ)与扫描速率平方根(V¹/²)的线性拟合曲线；(f)CF与CF@V₂CTx-S的奈奎斯特图

CV曲线显示CF@V₂CTx-S电极在阳极与阴极扫描过程中均表现出最高的峰电流密度，证实V₂CTx空心球可有效加速负极侧的电化学动力学过程，且催化性能提升在氧化半循环阶段最为显著。此外，循环50次后曲线基本保持不变，表明负载于CF上的V₂CTx空心球具有优异的电化学稳定性。同时，与CF（0.913）相比，CF@V2CTx-S在所有扫描速率下均表现出更接近1的-Ipa/Ipc，证实可逆性显著提升。此外，扫描速率对CF@V₂CTx-S的-Ipa/Ipc比值影响极小，表明其反应动力学性能大幅改善。在所有扫描速率下，CF@V₂CTx-S的ΔEp均持续小于CF，进一步印证更优的反应动力学特性。

EIS测试显示CF@V₂CTx-S电极的半圆直径较CF显著减小，对应更低的电荷转移电阻（Rct）。综上，钒氧化还原反应动力学性能的提升可归因于归因于V₂CTx-S材料固有的催化特性，以及其三维空心球状结构所提供的增大的电化学活性表面积。

4.电池性能

图4.采用CF与CF@V₂CTx-S电极组装的电池性能：(a–d)100–400mA cm⁻²下的电压–容量曲线；(e)不同电流密度下的平均充放电电压；(f)放电容量随循环次数的变化；(g)不同电流密度下的电解质利用率；(h)VE与CE随循环次数的变化；(i)EE随循环次数的变化

充放电曲线显示随着电流密度增大，过电位随之升高，进而导致氧化还原反应的有效电压窗口缩小。不同电极配置电池的平均充放电电压对比表明在100–400mA cm⁻²区间内，CF@V₂CTx-S电极体系始终表现出最低的充放电过电位。CF@V₂CTx-S在所有电流密度下均较CF电极提供更高的放电容量，且该优势在较高倍率下愈发显著。在0.9–1.65V电压区间内，采用CF电极的电池在200mA cm⁻²下仅可放电471.11mAh（占理论值的69.8%），性能衰减源于高电流密度下极化效应的加剧。实验结果表明：相较于原始电极，V₂CTx-S电催化剂不仅能提升电池容量，还可支持其在更高电流密度下的稳定运行。并且，CF@V₂CTx-S电池的EE在200mA cm⁻²下达到82.9%，在300mA cm⁻²时达到76.1%，相较于CF的电池在200mA cm⁻²下的性能提升了6.1%。

图5.a)采用CF及CF@V₂CTx-S电极的电池在不同电流密度下的中位放电电压；(b)经过500次充放电循环后的EE、VE及CE曲线；(c)负载不同MXene催化剂的碳毡体系EE对比；(d)500次循环测试中最后10次充放电循环的时间–电压曲线

核心结论