Oxyde de tungstène/fullerène

Jul 01, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14348 (2022) Citer cet article

Le coût relativement élevé des batteries à flux redox tout vanadium (VRFB) limite leur déploiement à grande échelle. L'amélioration de la cinétique des réactions électrochimiques est nécessaire pour augmenter la densité de puissance et l'efficacité énergétique du VRFB, et donc réduire le coût en kWh des VRFB. Dans ce travail, des nanoparticules d'oxyde de tungstène hydraté (HWO), C76 et C76/HWO, synthétisées de manière hydrothermale, ont été déposées sur des électrodes en tissu de carbone et testées comme électrocatalyseurs pour les réactions redox VO2+/VO2+. Microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM), spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), microscope électronique à transmission haute résolution (HR-TEM,), diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et les mesures d'angle de contact ont été utilisées pour caractériser le matériau des électrodes. Il a été constaté que l’ajout du fullerène C76 à HWO augmentait la cinétique de l’électrode vers la réaction redox VO2+/VO2+, en améliorant la conductivité et en fournissant des groupes fonctionnels oxygénés à sa surface. Un composite HWO/C76 (50 % en poids de C76) s'est avéré optimal pour la réaction VO2+/VO2+, montrant un ΔEp de 176 mV, contre 365 mV dans le cas d'un tissu de carbone non traité (UCC). En outre, les composites HWO/C76 ont montré un effet d’inhibition significatif de la réaction d’évolution du chlore parasite dû aux groupes fonctionnels W-OH.

Les activités humaines intensives et la révolution industrielle rapide ont conduit à une demande imparable d’énergie électrique qui augmente chaque année d’environ 3 %1. L’utilisation intensive des combustibles fossiles comme source d’énergie pendant plusieurs décennies a entraîné des émissions de gaz à effet de serre qui ont contribué au réchauffement climatique, à la pollution de l’eau et de l’air, menaçant l’ensemble de l’écosystème. Par conséquent, la pénétration des énergies éoliennes et solaires propres et renouvelables devrait atteindre jusqu’à 75 % de l’énergie électrique totale d’ici 20501. Cependant, le réseau électrique devient instable lorsque l’énergie provenant de sources d’énergie renouvelables dépasse 20 % de l’énergie totale produite1. . Le développement de systèmes efficaces de stockage d’énergie est crucial pour une telle transition, car ils sont nécessaires pour stocker les surplus d’électricité et équilibrer l’offre et la demande.

Parmi tous les systèmes de stockage d'énergie tels que les batteries hybrides à flux redox au vanadium2, les batteries à flux redox tout vanadium (VRFB) sont les plus développées pour leurs nombreux avantages3 et sont considérées comme une solution optimale pour le stockage d'énergie à long terme (~ 30 ans). lorsqu'il est combiné avec des sources d'énergie renouvelables4. Cela est dû au découplage des densités de puissance et d'énergie, à une réponse rapide, à une longue durée de vie et à un coût annualisé relativement faible de 65 $/kWh, en comparaison avec 93 $ à 140 $/kWh et 279 $ à 420 $/kWh pour le Li-ion et le plomb-acide. piles, respectivement4.

Cependant, leur commercialisation à grande échelle est toujours entravée par le coût d’investissement relativement élevé du système, principalement dû à la pile de cellules4,5. Par conséquent, améliorer les performances de l’empilement de cellules en augmentant la cinétique des réactions des deux demi-cellules peut réduire la taille de l’empilement et, par conséquent, son coût. Par conséquent, un transfert d’électrons rapide à la surface de l’électrode est nécessaire, ce qui dépend de la conception, de la composition et de la structure de l’électrode qui doivent être soigneusement optimisées6. Même si les électrodes à base de carbone présentent une bonne stabilité chimique et électrochimique et une bonne conductivité, sans traitement, elles souffrent d'une cinétique lente en raison du manque de fonctions oxygénées et de leur hydrophilie7,8. Par conséquent, différents électrocatalyseurs ont été incorporés aux électrodes à base de carbone, en particulier des nanostructures de carbone et des oxydes métalliques, pour améliorer la cinétique au niveau des deux électrodes afin d'augmenter la cinétique au niveau des électrodes VRFB.

De nombreux matériaux carbonés ont été utilisés, tels que le papier carbone9, les nanotubes de carbone10,11,12,13, les nanostructures à base de graphène14,15,16,17, les nanofibres de carbone18 et autres19,20,21,22,23, à l'exception de la famille des fullerènes. . Dans nos travaux précédents sur le C76, nous avons signalé pour la première fois l'activité électrocatalytique supérieure de ce fullerène envers VO2+/VO2+, montrant une diminution de 99,5 % et 97 % de la résistance au transfert de charge par rapport au tissu de carbone traité thermiquement et non traité24. Un résumé des performances catalytiques des matériaux carbonés vis-à-vis des réactions VO2+/VO2+ par rapport au C76 est présenté dans le tableau S1. D'autre part, de nombreux oxydes métalliques ont été utilisés, tels que CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 et WO331,32,33,34,35,36,37,38, en raison de leur mouillabilité améliorée et de leur abondance de fonctions oxygénées. groupes. Un résumé des performances catalytiques de ces oxydes métalliques vis-à-vis des réactions VO2+/VO2+ est présenté dans le tableau S2. De nombreux papiers utilisaient du WO3 en raison de son faible coût, de sa grande stabilité dans les milieux acides et de sa forte activité catalytique31,32,33,34,35,36,37,38. Cependant, le WO3 a montré une amélioration insignifiante de la cinétique de l’électrode positive. Pour améliorer la conductivité du WO3, l'effet de l'utilisation de l'oxyde de tungstène réduit (W18O49) sur l'activité de l'électrode positive a été testé38. L'oxyde de tungstène hydraté (HWO) n'a jamais été testé dans l'application VRFB, bien qu'il ait montré une activité améliorée dans l'application supercondensateur en raison d'une diffusion plus rapide des cations, par rapport au WOx anhydre39,40. La troisième génération de batteries à flux redox au vanadium utilise un électrolyte acide mixte composé de HCl et de H2SO4 pour améliorer les performances des batteries et augmenter la solubilité et la stabilité des ions vanadium dans l'électrolyte. Cependant, la réaction parasite de dégagement de chlore est devenue l'un des inconvénients de la troisième génération et, par conséquent, trouver un moyen de supprimer la réaction d'évaluation du chlore est devenu la préoccupation de plusieurs groupes de recherche41.