2024年8月6日，中国石油大学徐春明院士团队牛迎春副教授在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy上发表题为“Uniformly dispersed bismuth metal nano catalyst modified carbon cloth electrode for iron-chromium flow battery”的最新研究文章。
随着可再生能源的扩大和电动交通的普及，对储能装置的需求与日俱增，储能技术已成为未来能源领域的重要发展方向之一。作为一种新兴的储能技术，铁铬液流电池（ICRFB）被广泛认为是未来最具发展前景的储能设备之一。ICRFB具有环境友好、设计灵活、性能优越等优点，但反应动力学慢、循环稳定性差等问题仍阻碍其商业化应用。
设计电极的微观形貌和宏观结构是解决这些问题的主要研究方向之一。碳布电极作为ICRFB的关键部件，其研究与开发对ICRFB的结构设计和性能优化具有重要意义。
常见的电极修饰包括热活化处理、酸处理、金属修饰和金属氧化物掺杂。在电极表面修饰缺陷位点和掺杂杂原子是一种有效的处理方法。然而，由于缺陷位点修饰和杂原子掺杂的非线性缺陷，ICRFB性能的进一步提高无法实现。
铋金属催化剂能显著改善ICRFB中Cr3+/Cr2+的动力学，抑制析氢副反应（HER）。目前在碳布电极上引入铋催化剂的方法主要有一步电化学沉积和热还原。一步电化学沉积虽然是一种简单的碳布电极改性处理工艺，但存在催化剂结合力弱的问题，在长期循环过程中容易发生催化剂脱落。因此，开发一种新的热还原方法，将铋催化剂牢牢地引入电极表面，对于显著提高ICRFB性能至关重要。
图1.（a）改性电极制备工艺流程图。（b）铁铬液流电池模型图。
因此，作者提出了一种基于内在缺陷辅助催化剂附着的纳米铋催化剂修饰碳布电极（TBCC）的制备方法。利用碳热反应将铋催化剂牢固地粘附在电极表面，TBCC电极的电化学性能和反应动力学得到了显著提高（图1）。缺陷工程与铋催化剂相结合有助于负载铋催化剂。作者通过一系列表征方法证明了铋元素的成功负载，探索了铋催化剂提高电池性能的机理。最终，通过原型机实验测试和仿真计算，实验证明，与原始碳布电极相比，用改性电极组装的电池极化减小，能量效率显著提高。
在140 mA/cm2的高电流密度下进行充放电试验，平均能量效率可达82.9%，在80 mA/cm2的电流密度下甚至实现了88.95%的超高能量效率。这为高性能ICRFB电极的设计、制造和商业应用提供了广阔的前景。
第一作者：Yinping Liu, Chao Guo
通讯作者：牛迎春副教授
通讯作者：中国石油大学
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论文标题：
Uniformly dispersed bismuth metal nano catalyst modified carbon cloth electrode for iron-chromium flow battery
论文网址：
https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120135
DOI：10.26599/NRE.2024.9120135
论文引用：
Liu Y, Guo C, Wu G, et al. Uniformly dispersed bismuth metal nano catalyst modified carbon cloth electrode for iron-chromium flow battery. Nano Research Energy, 2024, https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120135
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