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On the electrocatalytically active sites in graphene-based vanadium redox flow batteries

石墨烯 氧化还原 电化学 密度泛函理论 碳纤维 电子转移 氧气 材料科学 纳米技术 电催化剂 半反应 化学 光化学 电极 无机化学 计算化学 有机化学 物理化学 复合数 复合材料
作者
Ridge M. Bachman,Derek M. Hall,Ljubis̆a R. Radović
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:201: 891-899 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2022.10.004
摘要

There is too much controversy and too little interdisciplinary analysis of the role of carbon electrodes in a wide range of electrochemical and electrocatalytic processes. Here we focus on vanadium redox flow batteries (VRFB), which play a central role in the transition to renewable energy sources in the electricity sector of the global economy. We used density functional theory (DFT) to determine the relationship between chemically and electrocatalytically active sites on the positive electrode and the effects of chemical surface modification that introduces a variety of oxygen functional groups. Carefully selected aromatic (Ar) model clusters were analyzed to assess the extent of the electron density accumulation on and around the free carbon sites at graphene edges. The results reveal trends that help to resolve the controversies surrounding the role of phenolic or carboxyl groups in the redox mechanism. We conclude, in agreement with other chemical and electrocatalytic reactions that involve oxygen transfer (e.g., CO2 gasification or oxygen reduction reaction), that carbene-type edge carbon atoms are responsible for VO2+ adsorption and reduction of V5+ to V4+ in VO2+. The presence of Ar-OH and Ar-COOH groups can actually inhibit the redox process as a consequence of hydrogen and/or oxygen migration to the adjacent active sites. The presence of ArO groups, while affecting the electron density at the active sites, is confirmed to have a positive effect of stabilizing the free zigzag carbon sites in a triplet ground state.
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