郭玉国/吴雄伟/李昌珠AEM: 富边多维框架碳作为钒氧化还原液流电池的高性能电极

由于在储能系统中的优越性能，钒氧化还原液流电池（VRFBs）在大型储能设备中具有巨大的应用潜力。其中，原始石墨毡（GF）电极对V(II)/V(III)和V(IV)/V(V) 氧化还原电对的低电催化活性是其面临的主要问题。

在此，考虑到0D、2D和3D材料的特性，中科院化学所郭玉国研究员、湖南农业大学吴雄伟教授及湖南省林业科学研究院李昌珠研究员等人基于原位重结晶和柠檬酸钠在碳纤维光滑表面上的退火提出了一种新型复合电极，包括两种成分：源自富边碳的多维框架碳（MFC）和用作MFC原位生长框架的GF。

MFC由碳纳米颗粒（0D）、碳纳米片（2D）和在碳纤维表面原位生长的连续碳网络（3D）组成，其表面的0D、2D和3D碳材料分别导致高电催化活性、大氧化还原反应面积和快速电子转移。此外，与原始GF电极中的光滑碳纤维相比，钒离子可以很容易地被吸收，并且可以在优越的多维结构中进入反应位点。这种合成结构由连接的二维纳米片组成，有利于多维电子传导。

图1. 富边多维框架复合碳电极的制备示意图

因此，使用MFC GF电极组装的电池可实现500 mA cm^-2的最大电流密度及在 200 mA cm^-2的电流密度下超过400次循环的高稳定性和卓越的能量效率，这使得MFC GF在用于制造VRFB电极的无数材料中脱颖而出。

更重要的是，这项工作揭示了富含边缘的碳在催化正负极电解质中钒离子的氧化还原反应中起主要作用，而不是杂原子。据作者所知，这项研究是VRFB研究领域中的第一项此类研究，揭示了富边碳原子在正极和负极电解质中均比平面碳原子和杂原子具有更高的电催化活性。因此，本研究对于指导和推动富边碳在电池储能产业中的应用具有重要意义。

图2. 基于原始GF和MFC GF电极的VRFB的循环性能

Edge-Rich Multidimensional Frame Carbon as High-Performance Electrode Material for Vanadium Redox Flow Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103186

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