第一作者：李永浩
通讯作者：唐奡
通讯单位：中国科学院金属研究所
DOI：10.1016/j.est.2026.124851
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
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图1.a)制备流程示意图；(b)Bi@CN的TEM图像；(c)Bi@CN的EDS元素分布图；(d)Bi@CN的孔容分布曲线
TEM及EDS元素分布图表明铋纳米颗粒均匀分散于碳–氮基质中，其主要粒径分布于5–10 nm区间。均匀分散不仅可最大化纳米颗粒的利用率，还能提升可及活性位点的密度。此外，通过BET的孔径分布图显示主导孔径约为2.41nm，表明材料中存在介孔通道而非微孔。同时，Bi@CN催化剂具有较高的比表面积，达88.2m² g⁻¹。
图2.a)Bi@CN@CF的SEM图像；(b)Bi@CN@CF的EDS元素分布图；(c)不同电极的BET比表面积；(d)X射线衍射图谱；(e)Raman光谱；(f)FT-IR光谱；(g–i)Bi@CN@CF的XPS光谱
BET比表面积分析显示Bi@CN@CF 电极的比表面积为8.61m²/g，远高于PCF（0.29m² g⁻¹）和Bi@CF（3.24m² g⁻¹）的值，表明电解质渗透和离子传输的通道更为丰富。XRD图谱显示出金属Bi⁰的特征反射峰，证实了Bi@CF和Bi@CN@CF中均成功引入了结晶态Bi物种。Bi@CN@CF中更强的Bi反射峰进一步支持了含Bi催化位点的有效形成。拉曼光谱显示ID/IG值从PCF的0.93增加到Bi@CF的1.23，再到Bi@CN@CF的1.48，表明缺陷密度逐渐增加。增强的无序性可归因于Bi-MOF衍生的碳–氮框架以及g-C₃N₄衍生的多孔碳–氮层，二者共同丰富了活性表面，并为Bi纳米颗粒的限域提供了结构支撑。
图3.a)不同电极的LSV曲线；(b)不同电极的Tafel图；(c)V2+/V3+的CV曲线；(d)V2+/V3+的扩散系数；(e)V2+/V3+的EIS曲线；(f)不同电极的RΩ与Rct值；(g–h)PCF与Bi@CN@CF在不同扫描速率下（范围：−0.05至0.05V vs.OCP）的CV曲线；(i)不同电极的Cdl曲线
LSV测试显示析氢起始电位从PCF的−0.27V分别向负方向移动至Bi@CF的−0.59V及Bi@CN@CF的−0.67V，表明析氢反应被有效抑制在Bi@CN@CF电极上受到抑制。此外，Bi@CN@CF的塔菲尔斜率为389mV dec⁻¹，高于PCF（180mV dec⁻¹）与Bi@CF（323mV dec⁻¹）的相应值。结合HER起始电位向负方向的偏移，Bi@CN@CF较大的塔菲尔斜率进一步表明其HER动力学过程较为迟缓。CV测试显示PCF因本征活性较低而未显现明显还原峰；而Bi@CF与Bi@CN@CF均呈现清晰可辨的氧化还原峰，且峰电流密度显著更高。而且，Bi@CN@CF的峰电流比趋近于1，且峰电位差（ΔEp=392 mV）小于Bi@CF（470mV），表明电化学可逆性更佳且氧化还原动力学速率更快。此外，EIS进显示Bi@CN@CF的Rct最低，为0.412Ω，低于Bi@CF（0.707Ω）和PCF（1.163Ω），证实Bi@CN可有效降低电荷转移能垒。此外，电化学活性表面积测试显示Bi@CN@CF的Cdl达195.7mF，高于Bi@CF（127.9mF）与PCF（1.8mF），表明可接触表面积增大且电解质可及性提升。结果共同证明多孔碳–氮限域Bi结构可促进活性位点暴露、界面电荷转移及质量传输，从而增强V2+/V3+氧化还原反应动力学性能。
图4.a)VRFB示意图；(b)不同制备电极在电流密度为200 mA cm⁻²时的充放电曲线；(c)在电流密度从100至300mA cm⁻²范围内，EE与CE；(d)平均充放电电压；(e)在50%SOC时的电化学阻抗谱结果
充放电曲线显示与基于PCF和Bi@CF的电池相比，基于Bi@CN@CF的电池表现出较低的充电电压平台及较高的放电电压平台这表明电压迟滞现象减弱，且电池极化效应得到抑制。因此，基于Bi@CN@CF的电池在200mA cm⁻²下可输出833mAh的放电容量，显著高于Bi@CF（621mAh）与PCF（556mAh）的性能。容量提升表明电解质利用率提高，可归因于Bi@CN@CF电极的润湿性增强及电化学活性表面积扩大。此外，基于Bi@CN@CF的电池始终比基于Bi@CF与PCF的电池具有更高的EE，得益于其优化的传质性能及降低的极化效应。在200mA cm⁻²条件下，Bi@CN@CF基电池的EE达84.5%，大幅超越Bi@CF（78.6%）与PCF（72.8%）。而且，该效率优势在更高电流密度下愈发显著，凸显了Bi@CN@CF材料在高倍率工况下的优越性。在50%SOC下EIS测试显示基于Bi@CN@CF的电池的Rct低于基于Bi@CF及PCF的电池，与Bi纳米颗粒的均匀分散以及多孔碳–氮层的共同作用有关。
图5.a)VRFB电池的极化曲线与峰值功率密度曲线；(b)采用Bi@CF电极的电池在长期稳定性测试中的CE与EE；(c)采用Bi@CN@CF电极的电池在长期稳定性测试中的CE与EE；(d)Bi@CN@CF电池经长期循环测试后的SEM图像