Óxido de tungstênio/fulereno

Jul 01, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14348 (2022) Citar este artigo

O custo relativamente alto das baterias de fluxo redox totalmente vanádio (VRFBs) limita sua implantação generalizada. É necessário melhorar a cinética das reações eletroquímicas para aumentar a densidade de potência e a eficiência energética do VRFB e, portanto, diminuir o custo em kWh dos VRFBs. Neste trabalho, nanopartículas de óxido de tungstênio hidratado (HWO) sintetizadas hidrotermicamente, C76 e C76/HWO foram depositadas em eletrodos de tecido de carbono e testadas como eletrocatalisadores para as reações redox VO2+/VO2+. Microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FESEM), espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HR-TEM), difração de raios X (XRD), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e medidas de ângulo de contato foram utilizadas para caracterizar o material dos eletrodos. Descobriu-se que a adição do fulereno C76 ao HWO aumenta a cinética do eletrodo em direção à reação redox VO2+/VO2+, aumentando a condutividade e fornecendo grupos funcionais oxigenados em sua superfície. Um compósito de HWO/C76 (50% em peso de C76) foi considerado o ideal para a reação VO2+/VO2+, mostrando um ΔEp de 176 mV, comparado a 365 mV no caso de tecido de carbono não tratado (UCC). Além disso, os compósitos HWO/C76 mostraram um efeito de inibição significativo para a reação parasitária de evolução de cloro devido aos grupos funcionais W-OH.

As intensas atividades humanas e a rápida revolução industrial levaram a uma elevada procura imparável de energia elétrica, que aumenta anualmente cerca de 3%1. A utilização extensiva de combustíveis fósseis como fonte de energia durante várias décadas resultou em emissões de gases com efeito de estufa que contribuíram para o aquecimento global, a poluição da água e a poluição do ar, ameaçando todo o ecossistema. Portanto, espera-se que a penetração de energias eólica e solar limpas e renováveis ​​atinja até 75% da energia eléctrica total até 20501. No entanto, a rede eléctrica torna-se instável quando a energia proveniente de fontes de energia renováveis ​​excede 20% da energia total gerada1. . O desenvolvimento de sistemas eficientes de armazenamento de energia é crucial para essa transição, uma vez que são necessários para armazenar eletricidade excedentária e equilibrar a oferta e a procura.

Entre todos os sistemas de armazenamento de energia, como baterias híbridas de fluxo redox de vanádio2, as baterias de fluxo redox totalmente vanádio (VRFBs) são as mais desenvolvidas pelas suas inúmeras vantagens3 e são consideradas uma solução ideal para armazenamento de energia a longo prazo (~ 30 anos). quando combinado com fontes de energia renováveis4. Isso se deve à dissociação entre potência e densidades de energia, resposta rápida, ciclo de vida longo e custo anualizado relativamente baixo de US$ 65/kWh em comparação com US$ 93 a US$ 140/kWh e US$ 279 a US$ 420/kWh para íons de lítio e chumbo-ácido. baterias, respectivamente4.

No entanto, a sua comercialização extensiva ainda é dificultada pelo custo relativamente elevado de capital do sistema, principalmente devido à pilha de células . Portanto, melhorar o desempenho da pilha de células aumentando a cinética de ambas as reações de meia célula pode reduzir o tamanho da pilha e, consequentemente, o custo. Portanto, é necessária uma transferência rápida de elétrons na superfície do eletrodo, que depende do design, composição e estrutura do eletrodo que precisa ser otimizado cuidadosamente6. Embora os eletrodos à base de carbono tenham boa estabilidade química e eletroquímica e boa condutividade, sem tratamento eles sofrem de cinética lenta devido à falta de grupos funcionais de oxigênio e hidrofilicidade7,8. Portanto, diferentes eletrocatalisadores foram incorporados aos eletrodos à base de carbono, especificamente nanoestruturas de carbono e óxidos metálicos, para melhorar a cinética em ambos os eletrodos e aumentar a cinética nos eletrodos VRFB.

Muitos materiais de carbono têm sido utilizados, como papel carbono9, nanotubos de carbono10,11,12,13, nanoestruturas à base de grafeno14,15,16,17, nanofibras de carbono18 e outros19,20,21,22,23, exceto a família dos fulerenos . Em nosso trabalho anterior sobre C76, relatamos pela primeira vez a atividade eletrocatalítica superior deste fulereno em relação ao VO2+/VO2+, mostrando uma diminuição de 99,5% e 97% na resistência à transferência de carga em comparação com tecido de carbono tratado termicamente e não tratado24. Um resumo do desempenho catalítico dos materiais de carbono para as reações VO2+/VO2+ em comparação com C76 é dado na Tabela S1. Por outro lado, muitos óxidos metálicos foram utilizados, como CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 e WO331,32,33,34,35,36,37,38, devido à sua molhabilidade aprimorada e abundante funcionalidade de oxigênio. grupos. Um resumo do desempenho catalítico desses óxidos metálicos em relação às reações VO2+/VO2+ é dado na Tabela S2. Poucos trabalhos utilizaram o WO3 devido ao seu baixo custo, alta estabilidade em meio ácido e alta atividade catalítica . Porém, o WO3 apresentou uma melhora insignificante na cinética do eletrodo positivo. Para melhorar a condutividade do WO3, foi testado o efeito da utilização do óxido de tungstênio reduzido (W18O49) na atividade do eletrodo positivo38. O óxido de tungstênio hidratado (HWO) nunca foi testado na aplicação VRFB, apesar de apresentar atividade aumentada na aplicação de supercapacitor devido à difusão mais rápida de cátions, comparado ao WOx anidro39,40. A terceira geração de baterias de fluxo redox de vanádio usa eletrólito ácido misto composto de HCl e H2SO4 para melhorar o desempenho das massas e aumentar a solubilidade e estabilidade dos íons de vanádio no eletrólito. No entanto, a reação parasita de evolução do cloro tornou-se uma das desvantagens da terceira geração e, portanto, encontrar uma maneira de suprimir a reação de avaliação do cloro tornou-se a preocupação de vários grupos de pesquisa .