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李先鋒/劉濤AFM: 用于實(shí)現(xiàn)高功率密度釩液流電池的復(fù)合電極

釩液流電池（VFB），因其設(shè)計(jì)靈活、高安全、循環(huán)壽命長、能效高而引起了廣泛研究。然而，相對(duì)較高的初始成本限制了VFB的廣泛應(yīng)用。為了降低VFB的成本，提高功率密度被認(rèn)為是最有效的方法之一。

在此，中科院大連化物所李先鋒研究員、劉濤副研究員等人為降低VFB的極化損耗，以Ni-MOF為模板精心制備了一種中空多孔碳球催化劑（NMPC-A），其內(nèi)外表面均可提供大量活性位點(diǎn)催化釩氧化還原對(duì)的氧化還原反應(yīng)。為了抑制MOF基碳材料在制備過程中的多孔結(jié)構(gòu)坍塌和顆粒聚集，作者引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為保護(hù)殼，因?yàn)镻VP的酰胺鍵可以與Ni-MOF中的不飽和Ni³⁺位點(diǎn)配位。

此外，Ni-MOF對(duì)金屬鎳的催化石墨化賦予了碳球催化劑高導(dǎo)電性。這種具有高比表面積的催化劑可以簡單地原位負(fù)載在石墨氈（GF）上，形成集成電極（NMPC-A@GF）。

圖1. PVP涂層Ni-MOF的示意圖及表征

因此，制備的負(fù)載NMPC-A的集成NMPC-A@GF電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性，因?yàn)殁C離子可以同時(shí)參與空心球內(nèi)外表面的反應(yīng)。用該電極組裝的VFB單電池在200 mA cm^-2的高電流密度下可實(shí)現(xiàn)82.7% 的高能效和958 mW cm^-2的峰值功率密度，遠(yuǎn)高于原始GF電極。

更重要的是，VFB可以在200 mA cm^-2下穩(wěn)定運(yùn)行1000次循環(huán)而沒有明顯的性能下降。因此，這種中空多孔碳球結(jié)構(gòu)為VFB高活性電催化劑的開發(fā)提供了新思路，將顯著提高VFB的功率密度，從而極大地促進(jìn)VFB的商業(yè)化應(yīng)用。

圖2. 基于NMPC-A@GF電極的VFB的電化學(xué)性能

Highly Active Hollow Porous Carbon Spheres@Graphite Felt Composite Electrode for High Power Density Vanadium Flow Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202111267

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