一、     研究背景

  随着人们对清洁能源的发展越来越重视，以太阳能和风能发电为基础的可再生能源逐渐成为当今社会的主要研究能源。然而，可再生能源的间歇性对电网的持续供电提出了严峻要求。目前，储能技术是实现可再生能源高效利用和维持电力系统稳定运行的桥梁。氧化还原液流电池 (RFB) 因其寿命长、安全性好等特点被认为是MW级电力储存的最佳选择之一，其中，铁铬液流电池 (ICRFB) ，以廉价、丰富的铬和铁作为活性物质，与其他种类的液流电池相比，是一种极具成本效益的储能系统。然而，ICRFB的实施必须解决Cr³⁺/Cr²⁺动力学缓慢和竞争性析氢反应 (HER)的问题。石墨毡 (GF) 因其良好的导电性、稳定性、高比表面积、孔隙率和耐腐蚀性而成为ICRFB电极材料的首选，但GF存在亲水性差、电化学活性不足、可逆性低等缺点。基于此，对GF电极表面进行合理修饰，是提高ICRFB性能的可行路径。

二、工作简介

  采用一种简单的合成策略，即通过自聚合和湿化学还原方法，经煅烧处理，在氮掺杂石墨毡 (GF)表面沉积了非晶态铋 (Bi) 纳米颗粒 (NPs)。所得材料作为ICRFB的负极材料时展示出高效的电化学性能， Bi NPs可与H⁺形成中间体，极大地抑制HER副反应。此外，Bi的引入和GF表面的N掺杂通过协同作用显著提高了Fe²⁺/Fe³⁺和Cr³⁺/Cr²⁺的电化学活性，降低电荷传递电阻，提高反应传质速率。

三、核心图文解析

  采用一种简单的自聚合和湿化学还原方法结合煅烧处理，在氮掺杂GF表面沉积了非晶态Bi NPs，如图1所示。

图1 Bi/N-GF的合成示意图

  以所得Bi/N-GF作为ICRFB的负极材料，性能测试结果发现，N/Bi的引入可提升ICRFB的能量效率 (EE)，其中Bi/N-GF在不同电流密度下性能最佳。Bi/N-GF在60.0 mA cm⁻²时的EE高达85.8%，即使在120.0 mA cm⁻²的大电流密度下也可达76.7%，显著优于空白GF。Bi/N-GF在不同电流密度下均保持了高达97.7%的库伦效率 (CE)。Bi/N-GF的优异性能可归因于Bi NPs与H⁺形成中间体，抑制HER，从而提高CE和EE。在60.0 mA cm⁻²下的长时循环测试中，Bi/N-GF的EE在100圈循环之后仍保持在80.0%以上。Bi/N-GF表现出最低的充电电压过电位和最高的放电电压过电位，表明其具有良好的反应动力学。此外，经100次循环后，Bi/N-GF的容量达到862.7 mAh/L，显著高于空白GF、N-GF和Bi-GF。优异的电池性能可能是由于Bi NPs和氮掺杂的协同作用。一方面，Bi NPs在充电过程中与H⁺反应形成BiH_x，从而抑制HER；另一方面，氮 (吡啶氮) 的引入为带正电的Cr离子提供了丰富的吸附位点，从而加速了Cr²⁺/Cr³⁺的氧化还原过程。

图2 (a) GF、N-GF、Bi-GF和Bi/N-GF，以及(b) GF、Bi/N-GF-0.5、Bi/N-GF-1和Bi/N-GF-2在ICRFB中不同电流密度下的EEs；(c) GF、N-GF、Bi-GF和Bi/N-GF以及(d) GF、Bi/N-GF-0.5、Bi/N-GF-1和Bi/N-GF-2在ICRFB中60.0 mA cm ^-2和100次循环下的EEs；(e)、（f） 分别为GF、N-GF、Bi-GF和Bi/N-GF在电压范围为0.8 ~ 1.2 V时第2圈、第100圈的充放电曲线；(g)、（h） 分别为GF、Bi/N-GF-0.5、Bi/N-GF-1和Bi/N-GF-2在电压范围为0.8 ~ 1.2 V时第2圈、第100圈的充放电曲线。

四、结论

  作者制备了一种负载无定形Bi NPs的N掺杂GF负极电极材料用于高效稳定的ICRFB。通过自聚合和湿化学还原相结合的方法合成了Bi/N-GF，其对Fe²⁺/Fe³⁺和Cr³⁺/Cr²⁺的电化学性能较空白GF有显著提高。在不同电流密度下，经25次循环，库仑效率仍高达97.7%；在60.0 mA cm⁻²电流密度下，能量效率达到85.8%，超过了许多其他已报道的材料；循环100次后容量达到862.7 mAh/L，约为GF的5.3倍。机理研究发现，Bi/N-GF的优异性能源于其中Bi NPs和N的协同作用。

New Carbon Materials 文章信息

CHE Hang-xin, GAO Yu-fei, YANG Jia-hui, HONG Song, HAO Lei-duan, XU Liang, Sana Taimoor, Alex W. Robertson, SUN Zhen-yu. Bismuth nanoparticles anchored on N-doped graphite felts to give stable and efficient iron-chromium redox flow batteries[J]. New Carbon Mater., 2024, 39(1): 131-141.

车航欣，高宇飞，杨家辉，洪崧，郝磊端，徐亮，Sana Taimoor，Alex W. Robertson，孙振宇.铋纳米颗粒负载的氮掺杂石墨毡用于稳定高效的铁铬液流电池[J].新型炭材料（中英文），2024，39（1）：131-141.

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