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UT Austin团队:氧化石墨烯膜在液流电池中的尝试性应用

日期:2018-04-08 / 人气: / 来源:未知

氧化石墨烯膜的工作原理设计以及在水系液流电池中的应用。Chem 通过选择尺寸较大的分子或者金属配合物作为活性物质,氧化石墨烯膜取得了非常高的离子选择性,同时又可以允许支持电解质在两边快速的传输来传导电荷。而且,氧化石墨烯本身又可以进行低成本大规模的制备。这一系列的特性都预示着氧化石墨烯膜作为新型的隔膜在水系液流电池中的潜在应用。
首先,为了探索氧化石墨烯膜在液流电池中的潜在应用,研究人员选取了多种类型的氧化还原电对,分别适用于酸性、碱性和中性电解液。另外,氧化石墨烯作为膜结构的构筑单元,一是可以通过调节氧化石墨烯表面的含氧官能团实现离子传输行为的调控,二是也可以通过添加具有特定官能团的高分子,例如细菌纤维素等,来进一步调控内在的纳米孔道结构以及增强相关的机械性能和化学稳定性。 氧化石墨烯膜在不同溶液中的离子渗透行为和在酸性、碱性和中性溶液中的离子传导率。

Chem 研究人员选择性制备了三种具有不同纳米孔道结构的氧化石墨烯基的膜,分别是LGO(低氧化程度)、HGO(高氧化程度)和HGO-BC(HGO和BC的复合膜),其中BC是细菌纤维素。通过在不同水溶液中的离子渗透实验,研究人员证明了氧化石墨烯膜具有对多种活性分子实现有效的阻挡穿透的能力,意味着在这些潜在的液流电池体系中,石墨烯膜可以避免或者有效降低交叉污染问题。

另外,研究人员进一步发现氧化石墨烯膜可以在硫酸、氢氧化钾和氯化钾水溶液中同时表现出较高的离子电导率。一方面,氧化石墨烯片堆叠的二维纳米结构由于具有均匀的孔道结构所以表现出强烈的尺寸分离效果;另一方面,氧化石墨烯表面的带电官能团不仅能提供电荷排斥效应还可以促进电解质传导,例如质子等。因此,其在硫酸溶液中表现出最高的离子电导率,甚至可以达到和Nafion膜相当的水平。

随后,为了验证氧化石墨烯膜作为液流电池隔膜的效果,研究人员选取了碱性溶液体系:亚铁氰化钾(正极,K4Fe(CN)6)和核黄素磷酸钠(负极,FMN-Na)。 在相同体系下,氧化石墨烯膜表现出和Nafion膜相近的充放电曲线,另外在40毫安每平方厘米的电流密度下可以稳定循环300圈,同时库伦效率高达98%以上。

总之,这种低成本的具有二维纳米流道结构的氧化石墨烯膜在水系液流电池体系中表现出稳定优异的电化学行为。 氧化石墨烯膜在水系液流电池中的电化学性能。图片来源:Chem 该研究工作通过利用氧化石墨烯的二维纳米流道结构以及特殊的离子传输机制设计了一种具有潜力的水系液流电池隔膜,为进一步构建低成本高性能的下一代液流电池提供了新的思路和更多的可能性。这一成果近期在线发表在Cell Press旗下的综合性化学期刊Chem 上。

作者:jutan


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