具有高能效（EEs）的高功率密度钒氧化还原液流电池（VRFBs）的开发对于这种储能技术的广泛传播至关重要。在这项工作中，我们报告了用于VRFB电极的新型分级碳纳米材料的生产，该材料对钒氧化还原反应（VO²⁺/VO²⁺和V²⁺/V³⁺）具有高催化活性。电极材料是通过在感应耦合射频反应器中对石墨毡（GFs）进行快速（分钟级）低压联合气体等离子体处理来生产的。通过系统地研究纯气体（O₂和N₂）或其组合在不同气体等离子体压力下的影响，优化了电极以减少其对VRFB氧化还原反应的动力学极化。为了进一步提高电极的催化表面积，在聚合物粘合剂的存在下，通过渗透方法将通过高度可扩展的湿喷磨剥离石墨生产的单层/几层石墨烯结合到GFs中。根据质子交换膜（Nafion 115或Nafion XL）的厚度，我们优化的VRFB配置可以在广泛的充电/放电电流密度范围内有效运行，表现出高达93.9%、90.8%、88.3% 的能量效率，在25、50、75、100、200 和 300 mA cm^-2下分别为85.6%、77.6%和69.5%。与商业技术（额外电极成本<100 € m^-2）相比，我们的技术具有成本竞争力，并且显示出的EEs可与迄今为止报告的高效系统的创纪录高值相媲美。我们的工作评论了研究改进的等离子体条件或等离子体方法的重要性，以替代先前的报道（例如大气等离子体），以进一步提高当前VRFB系统的电极性能。
 
  
Figure 1. 原始和等离子体处理的GFs的形态学分析。(a) 原始GFs的SEM图像；(b) O₂-40 Pa；(c) N₂-40 Pa； (d) O₂:N₂ 40 Pa； (e) O₂:N₂ 16 Pa； (f) O₂:N₂ 4 Pa。图(d)-(f) 包括两个不同的放大倍数。
 
  
Figure 2. 原始和等离子体处理的GFs的化学表征。(a) 电极的元素组成。电极中 (b) O和 (c) N的分布。数据是根据XPS光谱（宽扫描、C 1s、O 1s 和 N 1s 光谱）的分析估算
 
  
Figure 3. 原始和等离子体处理过的GFs的电化学表征。
 
 
Figure 4. 使用Nafion 115作为质子交换膜，基于等离子体处理GFs的VRFBs的电化学性能。
 
  
Figure 5. GF/石墨烯电极的形态分析。(a, b) 石墨烯-O₂:N₂-4 Pa 电极的横截面SEM图像。
 
       相关研究成果于2021年由意大利理工学院Sebastiano Bellani课题组，发表在Chem. Mater.（https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c00763）上。原文：Graphene-Based Electrodes in a Vanadium Redox Flow Battery Produced by Rapid Low-Pressure Combined Gas Plasma Treatments。

转自《石墨烯杂志》公众号