本刊推荐 | 北京化工大学谭占鳌课题组：水系有机液流电池碳毡电极的改性研究

氮掺杂石墨毡对水系醌基氧化还原液流电池性能的影响

张衡1，夏力行1，姜珊1，王福芝1，谭占鳌2*

(1. 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室；2. 北京化工大学北京软物质科学与工程高精尖创新中心）

01全文速览

本文采用尿素水热反应对石墨毡（GF）进行氮掺杂改性处理，提高了电极对负极电解质2,6-DHAQ的电催化活性，与未处理石墨毡相比，氮掺杂碳毡电极的电化学表面积和碳缺陷程度都有所增加，从而提高了电极的电化学反应活性位点。另外，氮掺杂也减小了石墨毡欧姆电阻和电荷转移电阻，加快了电极反应速率。

02背景介绍

水系醌基氧化还原液流电池（AQRFBs）具有长寿命和活性物质设计灵活等特点，可用作可再生能源的电化学储能系统，近年来受到了广泛的关注。醌类物质存在于植物中，来源广泛，价格低廉，而且可对醌类衍生物进行分子功能化可提高溶解度、调整还原电位和延长分子寿命，最终提升水系醌基液流电池性能。另外，电极作为液流电池中的关键部件为活性材料进行氧化还原反应提供场所，对电池整体性能有着重要影响。石墨毡、碳毡等碳基材料具有三维结构，并具有高稳定性和高导电性等优点，通常被用作电池电极。然而，这些材料的电化学活性相对较差，这限制了它们在液流电池系统中的广泛应用。

03本文亮点

（1）吡咯氮的存在使石墨毡中最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）之间的能隙变窄，加快了电极反应中的电子转移；

（2）氮掺杂增强了碳毡电极在负极电解液中的浸润性，提升了电极表面的利用率；

（3）根据还原峰拟合直线斜率和Randles-Sevcik方程对不同电极的电化学表面积（ECSA）定量计算，结果表明，氮掺杂石墨毡拥有更高的电化学表面积，大约增加了10 cm2；

（4）在100 mA•cm-2的电流密度下，负极使用NGF-6电极的AQRFB表现出最高的能量效率（79.1%），比GF电极提高了8.0%；负极使用NGF-6电极的电池具有最低的电荷转移电阻（31.7 mΩ）和最大功率密度（247 mW•cm-2）。

04图文解析

图1 电极的形貌表征

图1中通过SEM表征了不同处理时间的石墨毡电极表面形貌，结果表明，改性前后碳纤维表面无明显变化。

图2 电极的表面化学态和结构表征以及浸润性测试

图2中通过XPS图谱和Raman光谱表征了不同电极的表面化学价态和碳缺陷程度， 结果表明氮元素成功掺入碳纤维表面，且吡咯氮能使石墨毡中最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）之间的能隙变窄，加快了电子转移；同时电极改性后ID/IG的值增大，表明碳缺陷和杂原子增多，能产生更多的活性位点；另外，浸润性测试结果表明，处理后的电极更有利于电解液的渗透。

图3 电极的电化学表征

图3中的循环伏安曲线表明改性后电极有更高的氧化还原电流，并根据还原峰拟合直线斜率和Randles-Sevcik方程对不同电极的电化学表面积（ECSA）定量计算，结果表明，氮掺杂石墨毡拥有更高的电化学表面积，大约增加了10 cm2。

图4 电池结构示意图和性能

图4中数据表明负极装配NGF-6电极有最高的电压效率、能量效率，最大功率密度可达247 mW•cm-2；在100 mA•cm-2下循环100次，平均能量效率为79.1%。

图5 电池EIS图谱

图5中的电化学阻抗谱表明负极装配NGF-6电极的液流电池各方面电阻都有所减小，其中电荷转移电阻最低为31.7 mΩ。

05总结与展望

本文采用尿素水热法成功制备了氮掺杂石墨毡。对不同处理时间电极样品进行SEM、XPS、BET和Raman分析，与未处理石墨毡相比，NGFs的氮含量和碳缺陷程度都有所增加，从而提高了电极的电化学反应活性位点，且吡咯氮能使石墨毡中最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）之间的能隙变窄，加快了电子转移。电化学结果证明，改性后电极的电化学表面积都有所提高，减小了石墨毡欧姆电阻和电荷转移电阻。循环测试结果表明在100 mA•cm-2的电流密度下，负极装配NGF-6电极AQRFB的EE高达79.1%，比GF电极提高了8.0%。值得注意地是这项工作从EIS数据中系统的分析了水系醌基液流电池系统的各部分电阻，可以看出欧姆电阻和扩散电阻是限制电池整体性能的主要部分，因此，在制备高性能电极时，应同时考虑降低电池整体的欧姆阻抗和扩散阻抗。

06作者介绍

谭占鳌，北京化工大学教授，博士生导师。2007年毕业于中国科学院化学研究所，获得博士学位；2007-2009年在美国宾夕法尼亚州立大学做博士后研究；2009-2019年在华北电力大学可再生能源学院工作；2019年11月至今在北京化工大学软物质科学与工程高精尖中心工作。2010年入选北京市科技新星计划，2012年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。2014年、2018年两次获北京市科学技术奖。主要研究方向：聚合物/钙钛矿太阳电池材料与器件，量子点/钙钛矿电致发光材料与器件。在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.等国际期刊上发表SCI收录论文210余篇，被引用11000余次。作为项目负责人主持及完成科技部、自然科学基金、北京科委等多项研究项目。担任国家科技奖、科技部重点研发计划、国家自然科学基金评审专家，《物理化学学报》和《发光学报》期刊青年编委。

07关于本文

引用格式：

张衡, 夏力行, 姜珊, 王福芝, 谭占鳌. 氮掺杂石墨毡对水系醌基氧化还原液流电池性能的影响[J]. 电化学, doi: 10.13208/j.electrochem.2203231.

Heng Zhang, Li-xing Xia, Shan Jiang, Fu-zhi Wang, Zhan-ao Tan. Nitrogen-Doped Graphite Felt on the Performance of Aqueous Quinone-Based Redox Flow Batteries[J]. Journal of Electrochemistry, doi: 10.13208/j.electrochem.2203231.

DOI: 10.13208/j.electrochem.2203231.

http://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.2203231

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