
第一作者:王梦琳
通讯作者:李春丽
通讯单位:内蒙古工业大学
DOI:10.1016/j.jpowsour.2026.241882

感谢内蒙古工业大学李春丽团队(第一作者:王梦琳)供稿!
本文所用
一体化液流单电池测试系统(YTH-1)
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1. Co-Nd-MOF/GO-PDA复合电极的构筑
研究采用原位生长法制备Co-Nd-MOF/GO-PDA复合材料,并将其直接负载于碳毡(CF)表面,构筑无粘结剂复合电极。通过调节PDA含量,确定20 wt%为优化添加比例。制备过程中,首先利用多巴胺(DA)与Co²⁺、Nd³⁺进行预配位,随后通过水热反应(140 ℃、12 h)实现MOF结构生长及多巴胺自聚合,形成PDA修饰的多元复合结构。SEM结果显示,Co-Nd-MOF以纳米棒状结构分布于GO片层之间,PDA修饰后,复合材料分散更加均匀,颗粒团聚现象得到改善。同时,复合材料能够较均匀地负载于碳毡纤维表面,形成相对连续的功能层。EDS元素面扫描进一步证实了C、N、Co和Nd元素的存在。

图1. (a–b) Co-Nd- MOF /GO的SEM图像;(c–d) Co-Nd- MOF /GO-PDA的SEM图像;(e–f) Co-Nd- MOF /GO@CF的SEM图像;(g) Co-Nd- MOF /GO-PDA@CF的SEM图像及EDS元素分布图
2. 多元复合结构及界面作用分析

图2. Co-Nd-MOF/GO-PDA 的 XPS 谱图:(a) 全谱,(b) 高分辨率 C 1s 谱,(c) 高分辨率 O 1s 谱,(d) 高分辨率 N 1s 谱,(e) 高分辨率 Nd 3d 谱,(f) 高分辨率 Co 2p 谱

图3. (a)(b) Co-Nd- MOF /GO和Co-Nd- MOF /GO-PDA样品的 FTIR 和 XRD 光谱;(c)(d) Co-Nd- MOF /GO和Co-Nd- MOF /GO-PDA复合材料的N2吸附等温线
通过XPS、FTIR和XRD等表征,明确了PDA在复合体系中的引入及其对材料结构的影响。XPS结果显示,复合材料中存在Co²⁺、Nd³⁺及PDA引入的含氮化学结构;FTIR中约1500 cm⁻¹和1050 cm⁻¹处出现新的特征吸收峰,分别对应N–H和C–N振动。XRD结果表明,PDA改性后MOF主体晶体结构基本保留,同时GO层间距由0.75 nm增加至1.04 nm。进一步结合氮气吸附–脱附测试发现,PDA改性后复合材料比表面积由46.730 m²/g提高至115.950 m²/g,孔容由0.328 cm³/g增加至0.642 cm³/g。研究认为,PDA通过氢键、π–π相互作用及空间位阻效应改善组分间界面结合,抑制颗粒团聚,并与MOF孔道及GO片层间隙共同构建多级孔结构。
3. 电极界面电化学性能及催化活性分析

图4. (a) 镍泡沫(黑色)、Nd- MOF 、Co-Nd- MOF /GO 和 Co-Nd- MOF /GO-PDA 复合材料的 CV 曲线;(b) 镍泡沫(黑色)、Nd- MOF 、Co-Nd- MOF /GO 和 Co-Nd- MOF /GO-PDA 复合材料的 EIS 曲线
通过循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)测试,研究了不同复合组分对电极反应活性及界面电荷传输行为的影响。结果表明,PDA改性后,复合材料氧化峰电流达到9.32 mA,为未改性Co-Nd-MOF/GO的1.29倍;电荷转移电阻进一步降低至0.313 Ω,表现出更优的界面电化学反应性能。

图5. 不同样品(CF、Co-Nd- MOF /GO@CF 和 Co-Nd- MOF /GO-PDA@CF)在VRFB 电解质中的静态水接触角和润湿性
同时,水接触角测试表明,原始碳毡的接触角为145°,而Co-Nd-MOF/GO-PDA@CF降低至0°,实现完全润湿。说明PDA引入的亲水性官能团能够改善电极表面与电解液之间的界面接触,促进钒离子传质,进而降低界面极化。
4. 全钒液流电池性能及循环稳定性

图6. (a) 不同电流密度下Co-Nd- MOF /GO-PDA@CF的充放电曲线;(b) 在80 mA cm⁻²电流密度下,Co-Nd- MOF /GO@CF和Co-Nd- MOF /GO-PDA@CF的 GCD 曲线;(c) Co-Nd- MOF /GO-PDA@CF在不同电流密度下的 GCD 曲线
