第一作者：王世慧
通讯作者：李世友
通讯单位：兰州理工大学
感谢兰州理工大学李世友（第一作者：王世慧）供稿！
本文所用
一体化液流单电池测试系统（YTH-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》
1.电极的SEM和TEM表征
图1 (a) GF, (b) CBi-GF 和 (c, d) IBi-GF的SEM图; (e) C and (f) Bi的EDS图; (g) TEM; (h) HRTEM; (i) FFT图
采用扫描电子显微镜（SEM）对样品的表面形貌进行了表征。GF表面（图1a）呈现光滑平整的质地，未见任何沉积物。经恒电流沉积后，CBi-GF样品表面显示出团聚堆叠的块状沉积物，还散布着未沉积的光滑区域，这直接反映了由于电沉积动力学不可控所导致的铋催化剂高度不均匀分布。IBi-GF样品表面沉积物均匀地分散在整个碳质纤维上。此外，放大图像（图1d）清晰地显示出Bi催化剂层均匀且疏松的包覆形貌。同时，C和Bi的元素分布图像明确表明碳和沉积Bi相的均匀分布。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像表明，IBi-GF电极上的Bi具有明确的晶体结构，测得的晶面间距为0.33 nm与金属Bi的(012)晶面完美吻合。
2.各电极的材料表征
图2 (a) XRD图; (b) 拉曼; (c) GF的XPS C1s谱; (d，e) 电极的Bi4f 谱; (f) 各电极的N2 吸附; (g) GF, (h) CBi-GF和(i) IBi-GF 在负极电解液中图片和接触角
图2a比较了不同电极的XRD图谱，GF电极在25.60°和42.70°处呈现出两个明显的特征衍射峰，分别归属于(002)和(100)晶面。另外，CBi-GF和IBi-GF电极在27.16°处观察到了Bi的特征峰，表明Bi催化剂已在GF上负载。此外，与CBi-GF电极相比，IBi-GF电极中Bi信号强度更高。相比之下，CBi-GF电极沉积不均匀，大尺寸Bi颗粒发生团聚。拉曼光谱（图2b）显示所有电极样品均在~1355 cm-1和1580 cm-1处表现出明显的D带和G带，分别对应于结构缺陷和有序石墨化结构。IBi-GF具有更显著的结构缺陷和无序度。
如图2c所示，GF的高分辨率C 1s谱图被解卷积为五个不同的峰。此外，在CBi-GF和IBi-GF样品中均检测到明显的Bi特征峰对应于Bi 4f7/2和Bi 4f5/2。与CBi-GF相比，IBi-GF的峰强度显著更高。采用N₂吸附–脱附测量确定了IBi-GF具有最高的BET比表面积，这一显著提升归因于其均匀分布、蓬松粗糙的表面形貌，有效增大了电极表面积。同时，通过电解液浸没试验和接触角测量看出，GF和CBi-GF漂浮在0.1 M V3+/3 M H2SO4电解液表面，而IBi-GF则迅速沉至样品瓶底部，表明IBi-GF的亲水性显著增强。
3.各电极的电化学表征
图3(a)不同电极在5 mV s-1的CV曲线; (b)电极在10 mV s-1的LSV曲线; (c) GF, (d) CBi-GF 和 (e) IBi-GF 在不同扫速下的CV曲线; (f) -Ipc/Ipa; (g)峰值电流和 v¹/²的关系曲线; (h) EIS谱; (i) Rct值
采用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）测试，评估了电极在负极反应中的电化学动力学。各电极的CV曲线表明GF电极仅出现一个氧化峰，而无还原峰，表明其对V3+/V2+反应的电化学性能很差。CBi-GF和IBi-GF均呈现出明确的氧化峰和还原峰。且IBi-GF电极的峰电流更高，表明其具有更优异的电化学可逆性。
图3b中的LSV曲线显示，IBi-GF电极具有更负的起始电位，显著提高了其电化学活性和反应动力学，根据多扫速CV曲线推导出阴极与阳极峰电流比（-Ipc/Ipa）随扫描速率的变化趋势看出，IBi-GF的-Ipc/Ipa值比CBi-GF更接近1.0，证明了IBi-GF电极在电催化氧化还原反应中具有更优的可逆性。从循环伏安（CV）曲线分析得到了峰电流（ip）和扫描速率平方根（v¹/²）之间的关系中，IBi-GF电极的斜率高于CBi-GF和GF电极，表明其钒离子浓度和扩散速率最高，加速了钒物种的氧化还原动力学。图3h给出了不同电极的EIS图，IBi-GF电极的Rct最低，表明IBi-GF电极有效降低了钒氧化还原反应的能垒，加速了催化反应动力学。
4.各电极组装电池的性能
图4电池在不同模式下运行的长期循环性能
图4不同电极的电池在（a）100 mA cm⁻²、（b）200 mA cm⁻²和（c）300 mA cm⁻²下的电压曲线；各电池的（d）CE（e）VE和（f）EE；（g）不同电极电池的极化和功率密度曲线；（h）300 mA cm⁻²下的放电容量曲线；（i，j）改性电极为负极的电池长循环测试