October 7, 2026

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 本研究采用牺牲模板法，将片状V₂CTₓ MXene转化为具有高比表面积的三维空心球状结构。通过将制备好的空心球负载于碳毡纤维上，成功制备出兼具高催化活性的复合电极，显著增加了复合电极的反应活性位点数量。比表面积测试表明空心球状结构使碳毡电极的比表面积提升约两倍。对负载此类V₂CTₓ空心球的CF电极进行的CV与EIS测试证实该电极具有优异的电化学活性及低阻抗特性。恒电流充放电测试表明改性电极在200mA cm⁻²时，EE可达82.9%，较原始CF电极提升6.1%；且EE在500次循环中仍保持高度稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 【论文奖励】2026年8月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年7月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年5~6月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年4月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年3月液流电池论文奖励清单！ 【论文奖励】2026年2月液流电池论文奖励清单！ 研究背景 钒液流电池（VRFBs）因较长的循环寿命、环境友好性及高运行稳定性，在储能应用领域受到广泛关注。作为VRFBs中电化学反应的主要场所，电极负责促进电子传递，并驱动其表面不同价态钒离子之间的相互转化。电极的微观结构及物理化学性质对电池的电化学性能具有决定性作用。在众多材料中，碳毡（CF）因低成本与高孔隙率已成为VRFBs中最广泛使用的电极材料。然而，CF的疏水特性及较低比表面积限制了电极与电解质之间的有效接触，从而延缓电化学反应速率。此外，在VRFB的电极体系中，负极上活性离子的传质速率及相应电化学反应速率均低于正极。两侧电化学反应的失衡将显著影响电池的EE。因此，提升负极的反应活性是提高钒电池EE的关键。 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 采用CF@V2CTx-S负极的电池在200mA cm⁻²下的500次充放电循环测试显示，EE在500次循环中从初始的82.7%降至79.3%。此外，CE在整个500次循环期间稳定保持在97–99%之间，表明离子跨膜对电池效率的影响可忽略不计。VE从84.8%降至81.3%，下降幅度为3.5%，表明电池性能的衰减主要源于电极极化加剧，而500次循环对CF@V2CTx-S电极的影响仍处于可接受范围内。在500次循环中的电压–时间曲线未观察到电压平台衰减或循环寿命缩短等显著现象。500次充放电循环后的V2CTx-S电极仍完整保持三维空心球状结构；对应的EDS图谱证实特征元素（C、V、O）仍高度富集于这些独立球状颗粒上，且无明显信号弥散。结构未发生坍塌、元素未发生浸出，充分证实V2CTx-S在酸性电解液中具有优异的化学稳定性。因此可推断，微弱的质量损失完全源于电解质持续产生的流体动力剪切应力所引发的弱结合粒子的机械性脱离，而非化学溶解所致。 核心结论 本研究已成功开发出一种经空心球形V₂CTₓ MXene改性的碳毡电极用于钒液流电池。通过牺牲模板法，片状V₂CTₓ被转化为三维空心结构，该结构可有效抑制MXene的层状重排，显著扩大电化学活性表面积，同时丰富的-O/-OH官能团大幅提升了电解液的润湿性。因此，改性电极性能得到显著提升。与原始碳毡相比，具有更高的EE和更高的电解质利用率，并且在500次循环中表现出卓越的稳定性。