【用户成果】武汉科技大学张一敏团队EA： VCN修饰石墨毡电极用于钒液流电池
第一作者：黑福前 通讯作者：张一敏 通讯单位：武汉科技大学资源与环境工程学院 工作简介 具有较高催化活性的金属基催化剂在强酸性电解液中易发生溶解，产生金属杂质并影响电池长期运行稳定性。钒基材料具有优异元素兼容性已逐渐成为VRFB电极改性的重要研究方向。本研究采用碳热还原法，以V2O3和乙炔黑为原料合成氮碳化钒（VCN）粉末。通过用VCN粉末和碳纳米管（CNT）协同修饰石墨毡（GF），成功制备了VCNT@GF复合电极，并将其应用于VRFB。试验结果表明，由于正极电解液在0.4-1.4 V电位范围内稳定性不足，VCN@GF电极不适合作为VRFB的正极材料。相比之下，VCNT@GF电极在-0.8到-0.1 V的电位范围内对V2+/V3+电对表现出优异的催化活性。以VCNT@GF作为负极组装的VRFB，在180 mA·cm-2下实现了82.8%的电压效率和78%的能量效率。经过200次充放电循环测试后，VCNT@GF电极的电压效率和能量效率均保持稳定，表现出良好的循环性能。 相关成果以“VCN Modified Graphite Felt Electrodes for Vanadium Redox Flow Batteries”为题发表在Electrochimica Acta期刊上。 感谢武汉科技大学张一敏团队（第一作者：黑福前）供稿！ 本文所用 快拆型液流单电池测试夹具（KCB-CZ） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 金属催化剂对V2+/V3+具有优异的催化效果。然而，金属基催化剂在强酸性电解液中易发生溶解，产生金属杂质可能影响电池长期运行稳定性。钒基材料具有优异元素兼容性已逐渐成为VRFB电极改性的重要研究方向。 本研究中，武汉科技大学张一敏团队通过浸渍法成功在GF表面负载碳氮化钒（VCN）和碳纳米管（CNT），制备出了VCNT@GF改性电极。引入CNT不仅改善了VCN在GF表面负载不均匀的问题，还进一步协同VCN促进了钒离子反应。VCN在0.4-1.4V电位范围内电化学稳定性较差，因此不适合作为VRFB正极材料。然而，VCN对V2+/V3+电对展现出优异的催化活性。EIS测试进一步证明，VCNT@GF电极的溶液电阻和电荷转移电阻显著降低，为V²⁺/V³⁺氧化还原对提供了更高效的电子传输路径。在180 mA⋅cm-2下，使用VCNT@GF作为负极的VRFB实现了82.8%的电压效率和78%的能量效率。在经过200个循环后，电池的电压效率和能量效率没有下降，显示出良好的循环稳定性。 核心内容 1.材料表征 图1. 电极的SEM图和EDS映射：(a) GF, (b) VCN 粉末, (c) CNT@GF, (d) VCN@GF, (e) VCNT@GF 的 SEM 图像；(f1) VCN 粉末和 (f2) VCNT@GF 的 EDS 映射图 图1显示了VCN粉末和改性GF的SEM图。从图1a可以看出，GF的表面相对光滑。VCN粉末呈聚集颗粒状（图1b）。图1c显示CNT以管状结构吸附在GF上。图1d显示VCN以聚集颗粒的形式吸附在VCN@GF的表面。在VCNT@GF表面，由于VCN颗粒与碳纳米管的管状结构相互交织，VCN颗粒分布更加均匀（图1e）。通过EDS分析了VCN和VCNT@GF的元素分布。图1f显示，在VCN和VCNT@GF中V元素和N元素的分布有一定的相关性，这表明VCN已成功加载到GF上。 图2. (a) VCN 粉末和改性GF 的 XRD 图谱，(b) XPS 光谱，VCN粉末的高分辨率光谱： (c) V2p，(d) N1s，(e) O1s，(f) VCN 粉末、CNT、VCNT@GF和 GF 的比表面积 通过XRD检测VCN的物相组成（图2a）。VCN 峰的强度和位置与 V6C5（JCPDS 编号 01-080-2287）和 VN（JCPDS 编号 01-78-1315）非常匹配。在 VCN@GF 和 VCNT@GF 中也检测到了 V6C5和 VN 的晶相，确认了 VCN 成功负载到 GF 上。对VCN粉末和改性GF进行了XPS分析（图2b）。在VCN粉末、VCN@GF和VCNT@GF样品中，V、N、C和O被确定为主要组成元素。在VCN粉末的高分辨率V2p光谱中（图2c），514.1 eV和521.7 eV对应V-N，516.1 eV对应V-O-N，517.5 […]