October 26, 2026

第一作者：代鹏程 通讯作者：代鹏程、巩亮 通讯单位：中国石油大学（华东）新能源学院 DOI：10.1016/j.cej.2026.183370 工作简介 本文提出一种界面化学锚定策略：通过氨气热处理，在CeO2纳米颗粒与石墨毡（TGF）之间构筑了一个强大的 Ce–N–C 界面化学键，形成连接二者的“分子桥梁“。该策略不仅显著提高了界面结合力，有效抑制催化剂的脱落与失活，还增加了 CeO2中氧空位的浓度，从而强化对铬离子的吸附并加速 Cr³⁺/Cr²⁺ 氧化还原反应动力学。测试结果表明，改性电极N-CeO2-TGF的铬离子氧化峰电流密度达到112 mA cm⁻²，约为TGF的4倍，电荷转移电阻降低至0.032 Ω。在铁铬液流电池中，该电极在100 mA cm⁻²下的能量效率达到84%，在200次循环中仍保持约84%的能量效率，且循环后表现出更优异的CeO2颗粒保留能力，有效缓解了长期运行过程中的催化剂脱落问题。 感谢中国石油大学（华东）代鹏程团队—张涛供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1/LSB-1） 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》 【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 铁铬液流电池（ICRFBs）因成本低、安全性高及铁盐、铬盐资源丰富，在大规模储能领域具有良好的应用前景。然而，负极 Cr³⁺/Cr²⁺ 氧化还原反应动力学缓慢，容易引起较大的电化学极化，并加剧析氢副反应，从而降低电池能量效率并加速容量衰减。二氧化铈（CeO2）催化剂因具有丰富的氧空位和良好的催化活性，常被用于改善液流电池的电极反应动力学。然而，其与石墨毡基底之间的界面结合力较弱，在强酸性电解液的长期冲刷和高电流密度的运行条件下容易发生催化剂的脱落与失活，进而导致电极性能衰减。因此，如何在加速 Cr³⁺/Cr²⁺ 反应动力学的同时，增强CeO2催化剂与碳基底之间的界面结合力及长期稳定性，是提升铁铬液流电池性能亟待解决的关键问题。 核心内容 1.合成策略与形貌特征 图1.(a) N-CeO2-TGF的合成策略示意图；(b–d) TGF、CeO2-TGF、N-CeO2-TGF的SEM图像；(e–h)N-CeO2-TGF中C、Ce、N、O的EDS元素分布图。 如图1c所示，经水热法负载二氧化铈并经过氩气退火后，CeO2-TGF表面出现不规则、局部团聚的CeO2。而图1d中经NH₃ 退火得到的N-CeO2-TGF，CeO2颗粒分布更均匀、近球形，表明氨气处理抑制了团聚并促进了颗粒重构。EDS证实C、Ce、N、O在碳纤维骨架上共存且空间分布均匀，证明N-CeO2-TGF 电极材料的成功合成。接触角测试（图S2）显示，修饰后的电极亲水性显著改善，有利于电解液的传质与渗透。   2.物相结构与成键分析 图2.(a) TGF、N-TGF、CeO2-TGF、N-CeO2-TGF的XRD图谱；(b)对应样品的拉曼光谱；(c–f) N-CeO2-TGF与CeO2-TGF的高分辨XPS光谱（Ce 3d、O 1s、N 1s、C 1s） 图2a中所有样品显示出了石墨的(002)与(100)衍射峰，CeO2-TGF与N-CeO2-TGF均出现立方萤石结构CeO2的特征峰（PDF #43-1002），表明CeO2颗粒的成功负载，且N-CeO2-TGF的CeO2峰更强；(002)峰向低角度轻微偏移，与氮掺入导致层间距增大一致。图2b中Raman ID/IG比值从TGF的1.07依次升至N-TGF的1.18、CeO2-TGF的1.45、以及N-CeO2-TGF的1.52，表明缺陷密度持续增加，有利于活性位点形成。对图2c-f进行了成键分析，XPS显示N-CeO2-TGF中Ce³⁺比例从CeO2-TGF的16.4%升至24.5%，对应氧空位浓度增加。O 1s中Ce-O-C组分从21.6%升至26.3%；N 1s出现吡啶N、吡咯N、石墨N及特有的Ce-N-C峰；C 1s出现新的C-N键（286.56 eV）。综合证明氮原子与Ce物种间形成Ce-N-C化学桥连，增强界面结合与电子耦合。   3.成键构型计算 图3.(a–b) Ce-N-C与Ce-O-C构型的优化界面结构；(c–d)对应电子密度差分布；(e–f)二维电荷密度差切片。 DFT计算显示，Ce-N-C构型中N-C键长1.36 Å（短于Ce-O-C的O-C键1.50 Å），界面结合能达-10.05 eV（远强于Ce-O-C的-3.18 eV），表明更强的轨道重叠与部分双键特征。电子密度差与电荷密度切片进一步显示Ce-N-C桥连处存在更显著的电荷重排与局域电子积累，证实Ce-N-C既是强锚定位点，又提供有利的界面电子转移通道。 […]