纳米结构Co-Nd-MOF/GO电极材料的制备及电化学性能

摘要

钒氧化还原液流电池（VRFB）被认为是最具有前景的大规模储能体系之一，但电极材料在高电流密度下能量效率低制约了VRFB的发展,对电极材料进行修饰改性可提高其能量效率和稳定性.本文以钕基金属有机框架（Nd-MOF）为前驱体,引入过渡金属钴进行掺杂；并采用水热法使Co-Nd-MOF与具有高导电性的氧化石墨烯（GO）通过GO的含氧官能团键合,制备出具有优异电化学性能的Co-Nd-MOF/GO-2复合材料,并将其作为修饰空白碳毡（CF）的电极材料应用于VRFB负极.电化学测试结果表明，Co-Nd-MOF/GO-2对V²⁺/V³⁺的氧化还原反应具有优异的电催化作用,可以提高VRFBs的电压效率（VE）和能量效率（EE）.在50 mA/cm²电流密度下, Co-Nd-MOF/GO-2复合材料修饰电极相较于CF过电位降低了259.7 mV,放电容量提高了263 mA·h;在140 mA/cm²电流密度下,该修饰电极相较于CF的VE和EE分别提高了9.2%和10.0%,循环之后电流密度调回50 mA/cm², VE和EE几乎无衰减,表现出良好的循环稳定性.研究结果表明, Co的掺杂提供了额外的金属节点和自由空穴,而GO的复合降低了MOF的团聚程度并为V²⁺/V³⁺反应提供了更多活性位点,从而促进了电荷转移和离子传递.上述效应加上GO与Co-Nd-MOF之间的协同作用,共同显著提升了复合电极材料的导电性能.该研究为推进VRFB的进一步应用提供了一种可行的方法.

关键词

金属有机框架 / Co掺杂 / 氧化石墨烯 / 钒氧化还原液流电池 / 电催化活性