一、研究背景
现如今的国际形势，越来越重视清洁能源的发展，以太阳能和风能发电为基础的可再生能源逐渐成为当今社会的主要能源。然而，可再生能源的间歇性对电网的持续供电提出了严峻要求。目前，储能技术是实现可再生能源的高效利用和维持电力系统稳定运行的桥梁。氧化还原液流电池（RFB）因其寿命长、安全性好等特点被认为是MW级电力储存的最佳选择之一，其中，铁铬液流电池（ICRFB）是历史上第一个真正意义上的液流电池，以廉价、丰富的铬和铁作为活性物质，与其他种类的液流电池相比，是一种极具成本效益的储能系统。然而，ICRFB的实施必须解决Cr3+/Cr2+动力学缓慢和抑制竞争HER的问题。石墨毡（GF）由于其良好的导电性、稳定性、高比表面积、孔隙率和耐腐蚀性而成为ICRFB电极材料的首选，但GF也存在亲水性差、电化学活性不足、可逆性低等缺点。为了避免这些问题，对GF电极表面进行了修改，从而提高了ICRFB的性能。
二、工作简介
采用一种简单的合成策略，即通过自聚合和湿化学还原方法结合煅烧处理，在氮掺杂GF表面沉积了非晶态铋(Bi)纳米颗粒(NPs)，其作为ICRFB的负极材料时可展示出高效的电化学性能。生成的Bi NPs与H+形成中间体，极大地抑制了HER副反应。此外，Bi的引入和GF表面的N掺杂通过协同作用显著提高了Fe2+/Fe3+和Cr3+/Cr2+的电化学活性，降低了电荷传递电阻，提高了反应传质速率。
三、核心图文解析
采用一种简单的自聚合和湿化学还原方法结合煅烧处理，在氮掺杂GF表面沉积了非晶态Bi NPs，可作为ICRFB的负极材料，如图1所示。
图1 Bi/N-GF的合成示意图
N/Bi的引入提升了EE，其中Bi/N-GF-2在不同电流密度下表现最好。Bi/N-GF在60.0 mA cm -2时的EE高达85.8%，即使在120.0 mA cm -2的大电流密度下也高达76.7%，大大优于空白GF。Bi/N-GF在不同电流密度下均保持了高达97.7%的CE。Bi/N-GF的优异性能可归因于Bi NPs与H+形成中间体，从而抑制不需要的HER，提高CE和EE。在60.0 mA cm−2下的长时循环测试中，Bi/N-GF的EE即使在100圈循环之后也能保持在80.0%以上。Bi/N-GF表现出最低的充电电压过电位和最高的放电电压过电位，表明其具有良好的反应动力学。此外，经过100次循环后，Bi/N-GF的容量达到862.7 mAh/L，显著高于空白GF、N-GF和Bi-GF。
图2 (a) GF、N-GF、Bi-GF和Bi/N-GF，以及(b) GF、Bi/N-GF-0.5、Bi/N-GF-1和Bi/N-GF-2在ICRFB中不同电流密度下的EEs；(c) GF、N-GF、Bi-GF和Bi/N-GF以及(d) GF、Bi/N-GF-0.5、Bi/N-GF-1和Bi/N-GF-2在ICRFB中60.0 mA cm -2和100次循环下的EEs；(e)、（f） 分别为GF、N-GF、Bi-GF和Bi/N-GF在电压范围为0.8 ~ 1.2 V时第2圈、第100圈的充放电曲线；(g)、（h） 分别为GF、Bi/N-GF-0.5、Bi/N-GF-1和Bi/N-GF-2在电压范围为0.8 ~ 1.2 V时第2圈、第100圈的充放电曲线。
本文所用单电池测试系统由武汉之升能源有限公司提供
四、结论
本研究制备了一种无定形Bi NPs的N掺杂GF负极电极材料用于高效稳定的ICRFB。通过自聚合和湿化学还原相结合的方法合成了Bi/N-GF，对Fe2+/Fe3+和Cr3+/Cr2+的电化学性能较空白GF有显著提高。在不同的电流密度下，经25次循环，库仑效率仍高达97.7%。在60.0 mA cm−2电流密度下，能量效率达到85.8%，超过了许多其他报道的材料。循环100次后容量达到862.7 mAh/L，约为GF的5.3倍
【文章引用】
Bismuth nanoparticles anchored on N-doped graphite felts to give stable and efficient iron-chromium redox flow batteries[J]. New Carbon Mater., 2024, 39(1): 131-141. DOI: 10.1016/S1872-5805(24)60837-1