酸化タングステン/フラーレン

Jul 01, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14348 (2022) この記事を引用

全バナジウムレド​​ックスフロー電池（VRFB）は比較的コストが高いため、その広範な導入は制限されています。 VRFB の電力密度とエネルギー効率を向上させ、VRFB の kWh コストを削減するには、電気化学反応の速度論を強化する必要があります。 この研究では、水熱合成された水和酸化タングステン (HWO) ナノ粒子、C76、および C76/HWO がカーボンクロス電極上に堆積され、VO2+/VO2+ 酸化還元反応の電極触媒としてテストされました。 電界放射型走査電子顕微鏡 (FESEM)、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX)、高分解能透過型電子顕微鏡 (HR-TEM)、X 線回折 (XRD)、X 線光電子分光法 (XPS)、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) および接触角測定を使用して、電極の材料の特性を評価しました。 C76 フラーレンを HWO に添加すると、導電率が向上し、その表面に酸素化された官能基が提供されるため、VO2+/VO2+ 酸化還元反応に向けた電極反応速度が向上することがわかりました。 HWO/C76 (50 wt% C76) の複合材料が VO2+/VO2+ 反応に最適であることが判明し、未処理のカーボンクロス (UCC) の場合の 365 mV と比較して、176 mV の ΔEp を示しました。 さらに、HWO/C76 複合材料は、W-OH 官能基による寄生塩素発生反応に対して顕著な抑制効果を示しました。

人間の集中的な活動と急速な産業革命により、電気エネルギーに対する止められない高い需要が発生し、毎年約 3% ずつ増加しています1。 数十年にわたる化石燃料のエネルギー源としての広範な使用は、温室効果ガスの排出をもたらし、地球温暖化、水質汚染、大気汚染の一因となり、生態系全体を脅かしています。 したがって、クリーンで再生可能な風力および太陽光エネルギーの普及は、2050 年までに総電力エネルギーの最大 75% に達すると予想されます1。しかし、再生可能エネルギー源からの電力が総発電電力量の 20% を超えると、電力網は不安定になります1。 。 効率的なエネルギー貯蔵システムの開発は、余剰電力を貯蔵し、需要と供給のバランスを取る必要があるため、このような移行にとって極めて重要です。

ハイブリッドバナジウムレド​​ックスフロー電池2などのエネルギー貯蔵システムの中で、全バナジウムレド​​ックスフロー電池（VRFB）はその数多くの利点により最も開発されており3、長期（約30年）のエネルギー貯蔵に最適なソリューションであると考えられています。再生可能エネルギー源と組み合わせる場合4. これは、電力とエネルギー密度の分離、高速応答、長いサイクル寿命、およびリチウムイオンと鉛酸の年間コストが 93 ～ 140 ドル/kWh および 279 ～ 420 ドル/kWh と比較して 65 ドル/kWh と比較的低いためです。電池、それぞれ4．

しかし、その大規模な商業化は、主にセルスタックによる比較的高いシステム資本コストによって依然として妨げられています4,5。 したがって、両方の半電池反応の速度論を増加させてセルスタックの性能を向上させると、スタックのサイズを削減でき、結果としてコストを削減できます。 したがって、電極表面での高速電子移動が必要ですが、これは電極の設計、組成、構造に依存し、慎重に最適化する必要があります6。 カーボンベースの電極は化学的および電気化学的安定性と導電性が良好ですが、処理を行わないと、酸素官能基の欠如と親水性により反応速度が遅くなります7,8。 したがって、異なる電極触媒、具体的にはカーボンナノ構造と金属酸化物がカーボンベースの電極に組み込まれ、両方の電極での反応速度を高め、VRFB 電極での反応速度を高めました。

フラーレンファミリーを除く、カーボンペーパー9、カーボンナノチューブ10、11、12、13、グラフェンベースのナノ構造14、15、16、17、カーボンナノファイバー18、その他19、20、21、22、23など、多くの炭素材料が使用されています。 。 C76 に関する以前の研究では、このフラーレンの VO2+/VO2+ に対する優れた電極触媒活性を初めて報告し、熱処理および未処理のカーボンクロスと比較して電荷移動抵抗が 99.5% および 97% 減少することを示しました 24。 C76 と比較した、VO2+/VO2+ 反応に対する炭素材料の触媒性能の概要を表 S1 に示します。 一方、CeO225、ZrO226、MoO327、NiO28、SnO229、Cr2O330、WO331,32,33,34,35,36,37,38などの多くの金属酸化物は、濡れ性が向上し酸素官能基が豊富であるため、使用されてきました。グループ。 VO2+/VO2+ 反応に対するこれらの金属酸化物の触媒性能の概要を表 S2 に示します。 低コスト、酸性媒体中での高い安定性、および高い触媒活性のため、かなりの数の論文が WO3 を使用しました 31,32,33,34,35,36,37,38。 しかし、WO3 は正極の反応速度にあまり大きな改善を示さなかった。 WO3 の導電性を向上させるために、還元酸化タングステン (W18O49) を使用した場合の正極の活性に対する影響がテストされました 38。 水和酸化タングステン (HWO) は、無水 WOx39,40 と比較してカチオンの拡散が速いため、スーパーキャパシタ用途では活性が向上しているにもかかわらず、VRFB 用途ではテストされたことがありません。 第 3 世代のバナジウム レドックス フロー電池は、HCl と H2SO4 で構成される混合酸電解液を使用して電池の性能を向上させ、電解液中のバナジウム イオンの溶解度と安定性を高めています。 しかし、寄生塩素発生反応は第 3 世代の欠点の 1 つとなっており、塩素評価反応を抑制する方法を見つけることがいくつかの研究グループの関心事となっていました 41。