산화텅스텐/풀러렌

Jul 01, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14348(2022) 이 기사 인용

전체 바나듐 레독스 흐름 배터리(VRFB)의 상대적으로 높은 비용으로 인해 광범위한 배포가 제한됩니다. VRFB의 전력 밀도와 에너지 효율을 높이고 그에 따라 VRFB의 kWh 비용을 줄이려면 전기화학 반응의 동역학을 향상시키는 것이 필요합니다. 이 연구에서는 열수 합성된 수화 텅스텐 산화물(HWO) 나노입자인 C76 및 C76/HWO를 탄소 천 전극에 증착하고 VO2+/VO2+ 산화환원 반응을 위한 전기촉매로 테스트했습니다. 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDX), 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM,), X선 회절(XRD), X선 광전자 분광법(XPS), 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)과 접촉각 측정을 사용하여 전극 재료를 특성화했습니다. HWO에 C76 풀러렌을 첨가하면 전도성을 강화하고 표면에 산소화 작용기를 제공함으로써 VO2+/VO2+ 산화환원 반응을 향한 전극 역학을 향상시키는 것으로 나타났습니다. HWO/C76(50wt% C76) 복합재는 VO2+/VO2+ 반응에 최적인 것으로 확인되었으며, 처리되지 않은 탄소 천(UCC)의 경우 365mV에 비해 176mV의 ΔEp를 나타냈습니다. 또한, HWO/C76 복합재는 W-OH 작용기로 인해 기생 염소 발생 반응에 대해 상당한 억제 효과를 나타냈습니다.

집중적인 인간 활동과 급속한 산업 혁명으로 인해 전기 에너지에 대한 수요가 매년 약 3%1씩 증가하게 되었습니다. 수십 년 동안 에너지원으로 화석연료를 광범위하게 사용함으로써 온실가스 배출이 발생하여 지구 온난화, 수질 오염, 대기 오염이 발생하여 전체 생태계가 위협받고 있습니다. 따라서 깨끗하고 재생 가능한 풍력 및 태양 에너지의 보급률은 2050년까지 총 전기 에너지의 최대 75%에 이를 것으로 예상됩니다1. 그러나 재생 에너지원의 전력이 총 발전 전력의 20%를 초과하면 전력망이 불안정해집니다1 . 효율적인 에너지 저장 시스템을 개발하는 것은 잉여 전력을 저장하고 공급과 수요의 균형을 유지해야 하기 때문에 그러한 전환에 매우 중요합니다.

하이브리드 바나듐 레독스 흐름 배터리2와 같은 모든 에너지 저장 시스템 중에서 전체 바나듐 레독스 흐름 배터리(VRFB)는 수많은 장점으로 인해 가장 많이 개발되었으며3, 장기 에너지 저장(~30년)을 위한 최적의 솔루션으로 생각됩니다. 재생에너지원과 결합될 때4. 이는 전력 및 에너지 밀도의 분리, 빠른 응답, 긴 사이클 수명, 리튬 이온 및 납산의 경우 $93~$140/kWh 및 $279~$420/kWh에 비해 $65/kWh의 상대적으로 낮은 연간 비용 때문입니다. 배터리, 각각4.

그러나 광범위한 상용화는 주로 셀 스택으로 인해 상대적으로 높은 시스템 자본 비용으로 인해 여전히 방해를 받고 있습니다4,5. 따라서 두 반쪽 전지 반응의 동역학을 증가시켜 전지 스택 성능을 개선하면 스택의 크기와 결과적으로 비용을 줄일 수 있습니다. 따라서 전극 표면에서의 빠른 전자 전달이 필요하며 이는 신중하게 최적화해야 하는 전극의 설계, 구성 및 구조에 따라 달라집니다6. 탄소 기반 전극은 우수한 화학적, 전기화학적 안정성과 우수한 전도성을 갖고 있지만 처리하지 않으면 산소 작용기 및 친수성7,8이 부족하여 역학이 느려집니다. 따라서 VRFB 전극의 동역학을 증가시키기 위해 두 전극의 동역학을 향상시키기 위해 서로 다른 전기촉매를 탄소 기반 전극, 특히 탄소 나노구조체 및 금속 산화물과 통합했습니다.

풀러렌 계열을 제외하고 탄소 종이9, 탄소 나노튜브10,11,12,13, 그래핀 기반 나노구조14,15,16,17, 탄소 나노섬유18 및 기타19,20,21,22,23와 같은 많은 탄소 재료가 사용되었습니다. . C76에 대한 이전 연구에서 우리는 VO2+/VO2+에 대한 이 풀러렌의 우수한 전기촉매 활성을 처음으로 보고했으며, 이는 열처리 및 처리되지 않은 탄소 천에 비해 전하 이동 저항이 99.5% 및 97% 감소한 것으로 나타났습니다. C76과 비교하여 VO2+/VO2+ 반응에 대한 탄소 재료의 촉매 성능을 요약하면 표 S1에 나와 있습니다. 반면 CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 및 WO331,32,33,34,35,36,37,38과 같은 많은 금속 산화물은 향상된 습윤성과 풍부한 산소 기능으로 인해 사용되었습니다. 여러 떼. VO2+/VO2+ 반응에 대한 이러한 금속 산화물의 촉매 성능에 대한 요약은 표 S2에 나와 있습니다. WO3의 저렴한 비용, 산성 매질에서의 높은 안정성 및 높은 촉매 활성으로 인해 상당수의 논문에서 WO3를 사용했습니다. 그러나 WO3에서는 양극의 동역학이 미미한 개선을 보였다. WO3의 전도성을 향상시키기 위해 환원된 텅스텐 산화물(W18O49)을 사용하여 양극의 활성에 미치는 영향을 테스트했습니다. 수화 텅스텐 산화물(HWO)은 무수 WOx39,40에 비해 더 빠른 양이온 확산으로 인해 슈퍼커패시터 응용 분야에서 향상된 활성을 보임에도 불구하고 VRFB 응용 분야에서 테스트된 적이 없습니다. 3세대 바나듐 레독스 흐름전지는 HCl과 H2SO4로 구성된 혼합산 전해질을 사용해 배터리의 성능을 높이고 전해질 내 바나듐 이온의 용해도와 안정성을 높인다. 그러나 기생 염소 발생 반응은 3세대의 단점 중 하나가 되었으며 이에 따라 염소 평가 반응을 억제하는 방법을 찾는 것이 여러 연구 그룹의 관심사가 되었습니다41.