【DFT+实验】中国石油大学（北京）徐泉教授课题组：铁铬液流电池高性能电极的制备

随着环境污染和能源危机等突出的社会问题，减少不可再生能源的利用迫在眉睫。而可再生能源发电由于其间歇性和多变性在实际应用中提出了挑战。储能是促进可再生能源并网发电、提高电网可靠性、提高可再生资源利用率、延长基础设施寿命和改善电能质量的有力手段。铁铬液流电池（ICRFBs）具有安全、环保、价格低廉、可靠性高等优点，在储能领域具有广阔的应用前景。但是，尽管ICRFBs有着众多优点，反应动力学缓慢和循环稳定性差等问题仍然困扰着ICRFBs的发展，为了解决这些问题，主要研究路线是对电极微观结构和宏观结构进行设计。

运用硅酸刻蚀方法改性碳布电极，并结合SEM观测了电极的结构变化以及XPS，EDS进行表征，通过电化学工作站、电池充放电仪测试了碳布的电化学性能和充放电循环稳定性；DFT模拟探究了硅酸改性电极的机理，为了解缺陷含量对铁铬液流电池中Cr (H₂O)₅Cl²⁺的吸附能力和电子传递能力的影响提供了宝贵的见解。

图1 (a) 铁铬液流电池反应机理图；(b) CC和SCC电极表面反应过程模拟图；(c) 碳布电极压缩示意图；(d) SCC电极的制备过程。

图2 (a-c) CC、TCC和SCC电极表面整体结构的SEM图像；(d-f) CC、TCC和SCC单根电极的表面结构的SEM图像；(g)SCC电极中间体表面结构的SEM图像；(h)SCC电极中间体表面EDX图；(i) SCC电极表面缺陷孔结构的孔径分布图。

图3 CC、TCC、SCC电极的 (a) C 1s，(b) N 1s和 (c) O 1s的XPS光谱。

图4 (a)Cr(H₂O)₅Cl²⁺在不同碳布表面的吸附能图；(b)不同碳布表面吸附Cr(H₂O)₅Cl²⁺的电子转移数；(c) 不同碳布表面吸附Cr(H₂O)₅Cl²⁺的电荷密度差图。

图5 在扫描速率为4mV·s^-1下，CC、TCC、SCC电极 (a) 正极和 (b) 负极反应的稳态CV。(c) CC、TCC、SCC电极组装电池的电化学阻抗谱。以CC、TCC、SCC电极组装的ICRFB在140 mA·cm²电流密度下的充放电性能：(d) 电流效率（CE），(e) 能量效率（EE），(f) 电压效率（VE）。以CC、TCC、SCC电极组装的ICRFB在不同电流密度下的充放电性能：(g) 电流效率（EE），(h) 能量效率（CE），(i) 电压效率（VE）。(j) SCC在140 mA·cm²电流密度下进行了800次充放电循环测试的EE，CE和VE。

牛迎春,2022获得中国石油大学（北京）博士学位。2022年至今在中国石油大学（北京）从事博士后研究工作，师从徐春明院士。长期从事铁铬液流电池碳布电极改性研究，主持国家自然基金一等奖一项，获省部级一等奖1项（排名2）。在Advanced Energy Materials 、Nano. Energy等发表代表性学术论文15余篇，作为第一指导老师指导本科生团队获得 2022 年“互联网+”竞赛全国金奖。

郭超,硕士研究生就读于中国石油大学（北京），师从徐泉教授。研究方向为液流电池电极材料研发及改性，在Nano Res.等期刊发表代表性学术论文5篇。

徐泉教授，中国石油大学（北京）教授，博士生导师，国家级青年人才，中国石油大学（北京）碳中和未来技术学院副院长。专注铁铬液流电池长时储能技术开发与建设。主持国家自然基金面上项目、国际合作项目、科技部重点研发子课题和成果转化项目等共计 15 项；发表 SCI 论文 80 余篇，他引 5300 次，以第一/通讯作者在 Nat. Commun.、 Adv. Mater.、 Adv. Sci.、 Nano Energy、 Chem. Eng. J.、 Nano Res.等国内外代表性期刊发表学术论文，入选英国皇家化学会 2018、2019 年度高被引中国学者；授权发明专利 14 项，累计完成成果转化 5 项，单一专利转让金额 360 万；出版《液流电池与储能》书籍；担任 SCI 期刊 Petrol. Sci.副主编，Front. Chem. Sci. Eng.，Nano Res. Energy 青年编委，中关村储能产业联盟液流电池储能技术专委会委员、能源行业液流电池标准化技术委员会委员，中国颗粒学会青年理事，中国化工学会与英国皇家化学会会员。

Niu Y, Guo C, Liu Y, et al. Fabrication of highly effective electrodes for iron chromium redox flow battery. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6324-4.