【用户成果】武汉科技大学张一敏团队JPS：铋基活性位点在碳基结构内的空间构型调控用于钒液流电池
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 DOI：10.1016/j.jpowsour.2026.241843 工作简介 钒液流电池（VRFBs）具有安全性高、寿命长及适合大规模储能等优势，但其负极V2+/V3+氧化还原反应动力学缓慢，限制了能量效率及高电流密度运行性能。铋基催化剂能够促进负极反应，但活性位点的暴露程度与长期稳定性往往难以兼顾。本研究提出碳结构介导的铋活性位点空间构型调控策略，在石墨毡表面构筑“碳层内部嵌入铋”（Bi-C@TGF1）和“多孔碳表面分布铋”（Bi-C@TGF2）两类催化界面，系统比较其结构、反应动力学和电池性能。结果表明，两种结构均明显降低电荷转移电阻；Bi-C@TGF2具有更高的可接触活性位点和更快的反应动力学，而Bi-C@TGF1表现出更好的铋稳定性。在250 mA cm-2下，Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2的能量效率分别达到78.11%和79.86%，均高于原始石墨毡的73.05%，且经过600次充放电循环仍保持较稳定的效率。 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》 【论文奖励】2026年9月液流电池论文奖励清单！ 【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 商业石墨毡（GF）因导电性好、化学稳定性高、成本相对较低而广泛用于钒液流电池电极，但其表面活性位点不足，难以高效催化负极V2+/V3+反应。通过表面官能化、构筑多维碳骨架及负载金属催化组分，可改善电极的润湿性、传质条件和电子转移速率。铋基材料既能加速钒离子氧化还原反应，也具有抑制析氢副反应的潜力；然而，直接沉积的铋容易局部富集、聚集或在长期运行中流失。 碳结构能够为铋提供分散载体和稳定的电子传输通道，但其作用具有双重性：将铋包覆或嵌入碳层有利于抑制迁移与脱落，却可能覆盖催化位点；将铋分布于多孔碳外表面能够增加与电解液的接触面积，却可能降低其稳定性。因此，铋在碳结构中的空间分布对钒离子的催化活性与稳定性十分重要。 核心内容 1.两种铋基活性位点空间构型的构筑 图1.两种改性石墨毡电极的制备流程 首先将石墨毡于450℃热处理3h，得到TGF。在碳层嵌入型构筑方法中，将TGF浸渍于柠檬酸铋的稀硝酸溶液中，再经80 ℃干燥和700 ℃氮气热处理，获得Bi-C@TGF1。在碳结构表面分布型路线中，先以柠檬酸钠浸渍TGF，并经800 ℃氮气热处理形成多孔碳骨架；酸洗后进一步浸渍硝酸铋的DMF溶液，最后经700℃氮气热处理，得到Bi-C@TGF2。 2.微观结构与表面化学特征 由SEM图可知，GF和TGF的纤维表面均相对光滑。在C-GF的表面观察到蜂窝状结构。SEM-EDS元素映射图显示，该蜂窝状区域以碳元素为主，这证实了C-GF表面形成了碳质结构。经过柠檬酸铋碳热处理后，Bi-C@TGF1的表面被片状碳结构覆盖。Bi分布于整个碳结构层中。TEM图像进一步揭示了嵌入碳基质中的含Bi纳米颗粒，其粒径约为10 nm。HRTEM图像显示出晶面间距约为0.322nm的晶格条纹，该值接近Bi2O3的(201)晶面，这表明Bi-C@TGF1中存在Bi2O3。Bi-C@TGF2在GF表面呈现出相互连接的蜂窝状碳纳米网络。SEM-EDS映射证实，Bi分布于整个碳结构骨架中。TEM图像进一步揭示了连续多孔碳网络的形成。相应的元素图显示铋与碳之间存在显著重叠,表明铋分布在多孔碳的表面。HRTEM图像显示了明显的晶格条纹，其晶面间距约为0.323nm，这与β-Bi2O3的(201)晶面相符。 图2. (a) GF、(b) TGF、(c) C-GF 的SEM图像，(d)C-GF中碳的EDS元素映射；(e)Bi-C@TGF1的显微形态与元素表征: (e1) SEM图像，(e2)铋元素映射图，(e3)TEM图像，(e4, e5)铋和碳的元素映射图，（e6）HRTEM图像；(f)Bi-C@TGF2的显微形态与元素表征：(f1)SEM图像，(f2)铋元素映射图，（f3）TEM图像，（f4、f5）Bi和C元素映射图，（f6）HRTEM图像 GF和TGF的XRD图谱中均在约26°和44°处呈现两个特征衍射峰，分别对应石墨碳的(002)和(101)晶面。Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2在27.94°、32.69°、46.22°和55.65°的衍射峰，对应于β-Bi2O3的(201)、(220)、(222)和(213)晶面。这表明负载在Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2表面的铋主要以Bi2O3的形式存在。 TGF、Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2的拉曼光谱图均呈现出两个特征峰（1350和1600 cm-1），分别对应于与碳结构缺陷相关的D带和与石墨碳相关的G带。TGF、Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2的ID/IG值分别为1.2、1.26和1.16。与TGF相比，Bi-C@TGF1的ID/IG值有所增加，这表明在制备过程中，碳原子中的铋可能会向碳层中引入更多缺陷。相比之下，Bi-C@TGF2的ID/IG值较低，表明在GF表面形成的碳结构比TGF的碳结构更高度石墨化。 在Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2的XPS图中均观察到了Bi、O和C的特征峰，这证实了Bi已成功引入GF表面。高分辨率的Bi 4f光谱显示，Bi-C@TGF1的Bi 4f7/2和Bi 4f5/2特征峰分别位于159.38和164.43 eV，而Bi-C@TGF2中则分别位于159.48和164.78 eV。这表明在改性电极表面形成了Bi-O键。O1s高分辨谱可拟合为Bi-O、Bi-O-C和C-O。C1s的高分辨谱均可拟合为C=C、C-C和C-O。 接触角测试结果表明，Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2的接触角均低于原始GF，这表明改性电极的表面亲水性优于GF，有利于电解液充分润湿以及改善界面反应动力学。氮气吸附–脱附测试表明Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2的吸附量均优于GF和TGF，表明这两种改性方法都增加了GF的孔体积。孔径分布表明，这些电极主要由介孔（2-50 nm）组成。Bi-C@TGF1和Bi-C@TGF2的比表面积分别为6.49 m2·g -1和11.12 m2·g-1，高于GF（5.23 […]