Ossido di tungsteno/fullerene

Jul 01, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14348 (2022) Citare questo articolo

Il costo relativamente elevato delle batterie a flusso redox interamente al vanadio (VRFB) ne limita la diffusione. Il miglioramento della cinetica delle reazioni elettrochimiche è necessario per aumentare la densità di potenza e l’efficienza energetica del VRFB, e quindi ridurre il costo in kWh dei VRFB. In questo lavoro, nanoparticelle di ossido di tungsteno idratato (HWO) sintetizzate idrotermicamente, C76 e C76/HWO sono state depositate su elettrodi in tessuto di carbonio e testate come elettrocatalizzatori per le reazioni redox VO2+/VO2+. Microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM), spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX), microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HR-TEM,), diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), Per caratterizzare il materiale degli elettrodi sono state utilizzate la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) e le misurazioni dell'angolo di contatto. È stato scoperto che l'aggiunta del fullerene C76 all'HWO aumenta la cinetica dell'elettrodo verso la reazione redox VO2+/VO2+, migliorando la conduttività e fornendo gruppi funzionali ossigenati sulla sua superficie. Un composito di HWO/C76 (50% in peso di C76) è risultato essere la soluzione ottimale per la reazione VO2+/VO2+, mostrando un ΔEp di 176 mV, rispetto a 365 mV nel caso del tessuto di carbonio non trattato (UCC). Inoltre, i compositi HWO/C76 hanno mostrato un significativo effetto di inibizione della reazione parassita di evoluzione del cloro dovuto ai gruppi funzionali W-OH.

Le intense attività umane e la rapida rivoluzione industriale hanno portato a una domanda inarrestabile di energia elettrica che aumenta ogni anno di circa il 3%1. L’uso estensivo di combustibili fossili come fonte di energia per diversi decenni ha provocato emissioni di gas serra che hanno contribuito al riscaldamento globale, all’inquinamento dell’acqua e dell’aria, minacciando l’intero ecosistema. Pertanto, si prevede che la penetrazione delle energie pulite e rinnovabili, eolica e solare, raggiungerà il 75% dell'energia elettrica totale entro il 20501. Tuttavia, la rete elettrica diventa instabile quando l'energia proveniente da fonti energetiche rinnovabili supera il 20% dell'energia totale generata1. . Lo sviluppo di sistemi efficienti di stoccaggio dell’energia è fondamentale per tale transizione poiché sono necessari per immagazzinare l’elettricità in eccesso e bilanciare domanda e offerta.

Tra tutti i sistemi di accumulo di energia come le batterie a flusso redox ibride al vanadio2, le batterie a flusso redox interamente al vanadio (VRFB) sono le più sviluppate per i loro numerosi vantaggi3 e sono ritenute una soluzione ottimale per l'accumulo di energia a lungo termine (~ 30 anni) se combinato con fonti energetiche rinnovabili4. Ciò è dovuto al disaccoppiamento tra densità di potenza ed energia, risposta rapida, ciclo di vita lungo e costo annualizzato relativamente basso di 65 $/kWh rispetto a 93-140 $/kWh e 279-420 $/kWh per batterie agli ioni di litio e piombo-acido batterie, rispettivamente4.

Tuttavia, la loro commercializzazione su vasta scala è ancora ostacolata dal costo di capitale del sistema relativamente elevato, dovuto principalmente allo stack di celle4,5. Pertanto, migliorare le prestazioni dello stack di celle aumentando la cinetica di entrambe le reazioni delle semicelle può ridurre le dimensioni dello stack e, di conseguenza, il costo. Pertanto, è necessario un trasferimento rapido degli elettroni sulla superficie dell'elettrodo, che dipende dal design, dalla composizione e dalla struttura dell'elettrodo che devono essere ottimizzati attentamente6. Anche se gli elettrodi a base di carbonio hanno una buona stabilità chimica ed elettrochimica e una buona conduttività, senza trattamento soffrono di una cinetica lenta dovuta alla mancanza di gruppi funzionali dell'ossigeno e di idrofilicità7,8. Pertanto, diversi elettrocatalizzatori sono stati incorporati con gli elettrodi a base di carbonio, in particolare nanostrutture di carbonio e ossidi metallici, per migliorare la cinetica su entrambi gli elettrodi e aumentare la cinetica sugli elettrodi VRFB.

Sono stati utilizzati molti materiali di carbonio, come carta carbone9, nanotubi di carbonio10,11,12,13, nanostrutture a base di grafene14,15,16,17, nanofibre di carbonio18 e altri19,20,21,22,23, ad eccezione della famiglia dei fullereni . Nel nostro precedente lavoro su C76, abbiamo riportato per la prima volta l'attività elettrocatalitica superiore di questo fullerene verso VO2+/VO2+, mostrando una diminuzione del 99,5% e del 97% nella resistenza al trasferimento di carica rispetto al tessuto di carbonio trattato termicamente e non trattato24. Un riepilogo delle prestazioni catalitiche dei materiali in carbonio nei confronti delle reazioni VO2+/VO2+ rispetto al C76 è riportato nella Tabella S1. D'altra parte, sono stati utilizzati molti ossidi metallici, come CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 e WO331,32,33,34,35,36,37,38, a causa della loro maggiore bagnabilità e dell'abbondante funzionalità dell'ossigeno gruppi. Un riepilogo delle prestazioni catalitiche di questi ossidi metallici nei confronti delle reazioni VO2+/VO2+ è riportato nella Tabella S2. Molti articoli hanno utilizzato WO3 per il suo basso costo, l'elevata stabilità in mezzi acidi e l'elevata attività catalitica31,32,33,34,35,36,37,38. Tuttavia, il WO3 ha mostrato un miglioramento insignificante nella cinetica dell'elettrodo positivo. Per migliorare la conduttività di WO3, è stato testato l'effetto dell'uso dell'ossido di tungsteno ridotto (W18O49) sull'attività dell'elettrodo positivo38. L'ossido di tungsteno idrato (HWO) non è mai stato testato nell'applicazione VRFB, nonostante abbia mostrato una maggiore attività nell'applicazione del supercondensatore a causa della diffusione più rapida dei cationi, rispetto al WOx anidro39,40. La terza generazione di batterie a flusso redox al vanadio utilizza un elettrolita acido misto composto da HCl e H2SO4 per migliorare le prestazioni delle batterie e aumentare la solubilità e la stabilità degli ioni di vanadio nell'elettrolita. Tuttavia, la reazione parassita di evoluzione del cloro è diventata uno degli inconvenienti della terza generazione e quindi trovare un modo per sopprimere la reazione di valutazione del cloro è diventata la preoccupazione di diversi gruppi di ricerca41.