High-power nitrided TiO2 carbon felt as the negative electrode for all-vanadium redox flow batteries

过电位 材料科学 氧化还原 化学工程 电极 电化学 碳纤维 流动电池 储能 电解质 无机化学 化学 冶金 复合材料 热力学 物理 工程类 复合数 物理化学 功率(物理)
作者
Javier Vázquez‐Galván,Cristina Flox,Rhodri Jervis,Ana Jorge Sobrido,Paul R. Shearing,J.R. Morante
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:148: 91-104 被引量:78
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2019.01.067
摘要

This work describes the design of an electrode with enhanced performance applied to all-vanadium redox flow batteries (VRFBs). This new electrode consists of a structural porous carbon felt decorated with TiO2 rutile nanoparticles, which has been nitrided using ammonolysis at 900 °C. An outstanding charge and mass transfer over the electrode-electrolyte interface was observed as a consequence of the synergetic effect of N- and O-functionalization over carbon felt (CF) and the partial formation of TiN (metallic conductor) phase. Moreover, this material has not only improved in terms of catalysis towards the V3+/V2+ redox reaction (k0 = 1.6 × 10−3 cm s−1), but also inhibited the hydrogen evolution reaction (HER), which is one of the main causes of imbalances that lead to battery failure. This led to an impressive high-power peak output value up to 700 mW cm−2, as well as work at high current density in galvanostatic conditions (i.e. 150 mA cm−2), exhibiting low ohmic losses (overpotential) and great redox single cell reversibility, with a superior energy efficiency of 71%. An inexpensive, earth abundant and scalable synthesis method to boost VRFBs technology based on nitrided [email protected]2 is presented, being able to overcome certain constrains, and therefore to achieve high energy and power densities.
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