第一作者：张开悦
通讯作者：张开悦
通讯单位：沈阳理工大学
DOI：10.1016/j.electacta.2026.149689
感谢沈阳理工大学张开悦团队校稿！
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
图1.电极的表面形貌
Bi@CNT-CF电极的制备过程首先在碳毡纤维上自组装ZIF-67阵列，该阵列既可作为结构模板，又能作为催化钴源；随后，通过用三聚氰胺对材料进行热解，ZIF-67衍生的Co纳米颗粒可催化形成互联的碳纳米管（CNT）网络，从而构建出高导电性且多孔的骨架结构；接着，将铋前驱体负载至经CNT改性的碳毡上，并采用快速微波处理以启动后续还原过程；利用CNT-CF复合材料作为微波敏感材料，微波辐照可产生瞬时局部加热，驱动铋前驱体在数秒内完成碳热还原反应；此过程可生成均匀锚定的铋纳米颗粒，纳米颗粒通过Bi-C界面相互作用与CNT网络紧密结合，从而确保了催化剂的结构稳定性及高效的电子转移能力；该微波辅助策略不仅显著缩短了制备时间，还实现了催化剂的均匀分散。
SEM显示P-CF的碳纤维表面呈现光滑且洁净的状态；经过ZIF-67的自组装后，均匀且致密排列的ZIF-67阵列会覆盖于碳纤维表面；随后进行热解处理，可在纤维表面形成交织的三维碳纳米管网络。所得碳纳米管在其末端修饰有钴纳米颗粒，纳米管相互交织形成稳定的三维网络结构，该结构具有典型的分级孔隙特征。经硝酸蚀刻去除钴纳米颗粒后，碳纳米管骨架保持完整，准确保留了原始形貌。此外，CNT-CF-10样品呈现出发达的多孔结构及互连通道系统，为后续负载铋纳米颗粒提供了理想的支架。基于优化后的碳纳米管骨架，通过乙二醇溶液浸渍法引入硝酸铋前驱体。
此外，经过微波诱导的碳热还原及随后的酸洗处理后，Bi纳米颗粒在CNT表面原位均匀分散，最终形成多级结构的Bi@CNT-CF复合电极。TEM高分辨率成像显示，Bi纳米颗粒呈球形，直径约为10–15nm，紧密嵌入碳纳米管壁中。支撑的CNT框架显示出0.344nm的层间距，有助于增强电子传输动力学。此外，Bi纳米颗粒的晶格条纹显示出0.323nm和0.241nm的间距，分别对应于铋的(012)和(110)晶面，证实了晶体性质。另外，EDX元素分布图表明C、O和N在整个碳纳米管中均呈均匀分散状态，同时也有明确证据显示Bi颗粒锚定在碳纳米管上。
图2.电极的理化性质分析
P-CF的BET显示其比表面积仅为0.71m²/g。相比之下，构建CNT网络可将该值提升至6.60m²/g；而随后引入Bi纳米颗粒并进行MICR处理，则进一步将该值提高至16.49m²/g，超过P-CF的数值超过20倍。此外，Bi@CNT–CF的计算双层电容约为P–CF的25倍，反映出ECSA的显著增大。增强效应主要归因于多孔CNT支架与锚定的Bi纳米颗粒之间的协同作用。互连的CNT网络将光滑的碳毡表面转化为中孔分级结构，显著提高了电解质渗透性和离子可及性。与此同时，通过强C-Bi键稳定的良好分散Bi纳米颗粒可提供丰富的极性界面，从而促进离子的吸附。
图3.结构分析
结构分析结果表明在热碳还原过程中，通过自发形成的C–Bi化学键，体系内建立了强烈的界面耦合，不仅有助于氧化还原反应中的电荷转移，还能防止活性物种在长时循环过程中脱离，从而显著提升了复合电极的电化学稳定性。此外，接触角测量结果显示P–CF的接触角高达132.7°，而CNT–CF和Bi@CNT–CF的接触角则降至0°，表明表面特性从疏水性转变为亲水性。
图4.电化学分析
对于VO2+/VO₂⁺，Bi@CNT-CF电极展现出显著提升的电化学性能，远优于P-CF和CNT-CF电极；此外，峰电位差大幅减小，表明反应可逆性得到改善。对于V₂⁺/V³⁺对，Bi@CNT-CF电极同样呈现出最清晰的氧化还原峰及最小的ΔEp（0.154 V）；相比之下，对照样品的阴极峰则因伴随的氢气析出而基本无法辨识。此外，EIS测试显示Bi@CNT‑CF对VO2⁺/VO₂⁺电对的Rct为0.25Ω，远低于CNT‑CF和P‑CF的数值。对于V2+/V3+也观察到类似趋势，表明Bi@CNT‑CF具有增强的催化活性。
图5.电池性能