通过表面修饰MOF衍生的Mn 3 O 4 @C用于高效能量存储的钒氧化还原液流SSB蓄电池研究
2026-06-19 11:28:08
由于成本低且理论容量高，锰氧化物作为储能器件的正极资料近期受到了广泛重视。但是，纯锰氧化物的比外表积较低，这约束了其实践运用。在本作业中，咱们经过传统的固相反响制备了一种源自金属有机框架（Mn-MOF）的Mn 3 O 4 @C纳米复合资料，然后处理了这些局限性。所得资料在导电碳基质中具有均匀分散的Mn 3 O 4 ，形成了高度多孔的结构，有效增强了循环稳定性和外表可及性。咱们将Mn 3 O 4 @C涂覆在原始石墨毡（PGF）和热处理石墨毡（HGF）上，以评价其电化学功能。在100 mA/cm 2下，涂覆Mn 3 O 4 @C的电极能量功率从68 %（PGF）和76 %（HGF）进步至82 %。与传统的锰基电极比较，这种MOF衍生架构展现出更优异的电化学可逆性、更高的活性位点可用性以及杰出的循环稳定性。这一进步证明了所提出的MOF衍生Mn 3 O 4 @C电极在改善下一代VRFB体系电化学行为和经济效益方面的潜力。
图文摘要
引言
在当前背景下，大规模储能运用对电能存储体系给予了高度重视[1]。由于太阳能和风能等可再生能源经常导致能源供应的不稳定性日益添加，这凸显了大规模储能体系在弥合发电量与电网需求之间距离的重要性[2,3]。在这方面，redox flow batteries（RFBs）凭借其可扩展性（功率密度与能量密度相互独立），供给了巨大的储能容量。RFBs具有灵活性、循环稳定性和成本效益等明显优势。此外，RFBs是用于削峰填谷运用的理想储能处理计划。RFBs展现出一种优越特性，即其能量容量取决于电解质的浓度和体积（这些电解质储存在电池外部），而其功率容量则由电极的外表积决定[4]。
在今世，钒氧化复原液流电池（VRFBs）受到了广泛的研讨重视。这首要归因于其独特的特征，即电解质两边运用相同的电活性物种（同一物种的不同氧化态）。在VRFB体系中，处理了与其他RFB体系比较时遇到的不同离子穿插污染的应战。在VRFBs中，正极电解液包含VO 2+/VO 2+，而负极电解液由V 3+/V 2+组成，并选用各种碳基资料作为电极[5]。但是，在电极动力学和钒离子的催化行为方面存在问题，特别是对于原始碳毡（CFs）、石墨毡（GFs）和固体电极而言。为了战胜这些应战，研讨人员探究了对VRFBs中碳基电极的改性。人们已经研讨了各种改性策略以进步其电化学功能。其间，铂（Pt）、铱（Ir）和铑（Rh）等金属基资料因其优异的催化活性而备受重视[6]。这些金属表现出有利的氢结合能，使其位于析氢反响（HER）火山图的顶端附近，然后使其对HER具有高度活性。但是，当它们作为电催化剂掺入VRFB电极时，可能会促进不期望发生的HER，特别是在负极处V(III)到V(II)的氧化复原过程中。
MOFs一般由金属离子或簇（Zn 2+ 和 Ni 2+ 等）与有机配体（BTC和BDC等）组成。组成用于能量存储的最佳MOFs的要害任务在于挑选合适的金属作为MOFs的中心离子。Mn 2+ 是一个首选，由于它在VRFBs中具有杰出的电催化行为。挑选对苯二甲酸（BDC）作为有机配体是由于与其他有机配体比较，它能够供给高孔隙率。在RFBs的背景下，电极的比外表积对于确保电池的优异稳定性起着至关重要的作用。因而，BDC的挑选有助于进步电池的稳定性和功率。经过高温煅烧工艺，制备的资料保持了其多孔结构，然后使VRFBs中的电极具有高功率和改善的循环寿数[10]。根据这些概念，Li等人[11]报道称，在碳片上穿孔的不同煅烧温度下的Co@C（MOF）在VRFB中表现出400 mA/cm 2时的能量功率（EE）为69%。此外，Cheng等人[12]经过室温成长然后退火的办法组成了用于VRFBs的MOF衍生N, S/Co, Cu@GF。该改性电极在200 mA/cm 2时完成了76.2%的EE。传统金属的低导电性促使人们引入MOFs衍生电极，展现出优异的催化活性。Chen等人[13]研讨了MnO@C资料作为VRFB中的催化剂，并进步了EE o
此外，开发一种有效的组成工艺以将催化剂负载到GF外表至关重要。为此，咱们制备了Mn 3 O 4 @C纳米复合资料作为负载到GF上的优良催化剂，用碳催化剂替代传统的贵金属氧化物。本作业的立异之处在于选用了一种综合办法，该办法整合了专门规划的Mn-MOF前驱体、简单且可扩展的固相组成法，以及将所得Mn 3 O 4 @C直接粘附在热处理石墨毡（HGF）上。Mn-MOF完成了Mn物种和碳的均匀分布，然后促进了导电Mn 3 O 4 @C纳米结构的形成。固相道路消除了溶剂和粘结剂的运用，为传统组成办法供给了一种更可继续且可扩展的替代计划。本作业的首要目的是增强针对VRFB运用而定制的热处理及负载催化剂的GF电极的电化学活性。
