نمد الکترود اصلاح شده CNT ها: عملکرد، روش ها و کاربردها

دستاوردهای عملکرد مستقیم نمد الکترود اصلاح شده CNTs

نمد الکترود اصلاح شده با CNT، بهبود عملکرد قابل اندازه گیری و قابل توجهی را در سیستم های ذخیره و تبدیل انرژی الکتروشیمیایی ارائه می دهد. در باتری‌های جریان ردوکس وانادیوم (VRFBs)، الکترودهای نمدی گرافیتی اصلاح‌شده با CNT به یک بهره وری انرژی 76.39٪ در 40 میلی آمپر سانتی‌متر مربع، نشان‌دهنده یک 15 درصد افزایش بیش از الکترودهای نمدی گرافیتی بکر که در شرایط یکسان تنها به 61.48 درصد بازده انرژی می‌رسند. راندمان کولمبی به بالا می رود 96.30٪ و بازده ولتاژ بهبود می یابد 79.33٪ با اصلاح CNT ها، در مقایسه با 94.47٪ و 65.08٪ به ترتیب برای نمد اصلاح نشده.

برای تصفیه فاضلاب از طریق فرآیندهای الکتروفنتون، نانولوله های کربنی رشد یافته در محل در رابط نمد کربن / رزین فنلی به دست می آیند. کانی سازی 98 درصد رنگ اسید نارنجی 7 آزو پس از 4 ساعت در مقایسه با صرف کانی سازی 55 درصد با الکترودهای نمدی کربن خام. تغییر رنگ محلول رنگ در تمام می شود کمتر از 15 دقیقه با الکترودهای اصلاح شده با CNT

در سلول‌های سوختی میکروبی (MFCs)، نمد کربن اصلاح شده با غلظت 4% w/v CNT (CF/CNT2) یک حداکثر چگالی توان 72.46 mW/m² و ولتاژ متوسط 0.255 ولت که می باشد 436 درصد بالاتر در چگالی توان در مقایسه با آندهای نمدی کربن اصلاح نشده. سرعت اکسیداسیون گلوکز می رسد 95.97٪ و جرم بیوفیلم افزایش می یابد 13 ± 255 میلی گرم روی سطح آند اصلاح شده

روشهای سنتز و اصلاح سطح

ساخت نمد الکترود اصلاح‌شده با CNT شامل چندین تکنیک تثبیت‌شده و نوظهور است که هر کدام برای نیازهای کاربردی خاص و اهداف عملکردی طراحی شده‌اند. رسوب بخار شیمیایی (CVD) روش غالب برای رشد نانولوله‌های کربنی مستقیماً روی بسترهای نمدی کربنی باقی می‌ماند که پیوند سطحی قوی و مورفولوژی کنترل‌شده را ممکن می‌سازد.

رشد رسوب بخار شیمیایی

CNT های رشد یافته در CVD بر روی نمد گرافیت با استفاده از کاتالیزورهای فلزی مانند نیکل یا آهن، با استیلن یا سایر منابع کربن که در دماهای بالا تجزیه می شوند، سنتز می شوند. این رویکرد نانولوله‌های کربنی با مکان‌های نقص افزایش‌یافته در صفحات لبه در معرض و مسیرهای انتقال سریع الکترون تولید می‌کند. کامپوزیت CNF/CNT حاصل بر روی نمد کربن به طور قابل توجهی حفظ ظرفیت و کارایی انرژی در کاربردهای باتری جریان را به دلیل رسانایی هم افزایی CNT ها و سطح بالای نانوالیاف کربنی بهبود می بخشد.

رشد درجا از طریق کاتالیز فروسن

یک رویکرد جایگزین درجا، نمد کربن را با محلول رزین فنلی الکلی حاوی پودر فروسن به عنوان کاتالیزور آغشته می‌کند. کربنیزاسیون تحت اتمسفر نیتروژن در 750 درجه سانتی گراد رشد CNT را در رابط نمد کربن / رزین فنلی ترویج می کند. مشاهدات SEM وجود CNT را در سطوح مختلف رشد تأیید می کند، در حالی که طیف سنجی رامان (نسبت ID/IG) کیفیت ساختاری را تأیید می کند. قابل ذکر است که اکسید کردن نمدهای کربنی قبل از درمان، تولید CNT را در کامپوزیت بسیار افزایش می دهد. این روش به طور قابل توجهی هدایت الکترود کامپوزیت را افزایش می دهد، به ویژه زمانی که نمدهای کربنی تحت پیش تصفیه اکسیداسیون اسیدی قرار می گیرند.

استراتژی های دوپینگ نیتروژن

نانولوله‌های کربنی دوپ‌شده با نیتروژن (N-CNTs) که روی نمد گرافیت از طریق CVD رشد می‌کنند، یک پیشرفت بزرگ را نشان می‌دهند. دوپینگ نیتروژن چهار عملکرد حیاتی را انجام می دهد: خواص الکترونیکی CNT ها را اصلاح می کند و ویژگی های جذب شیمیایی یون وانادیوم را تغییر می دهد، محل های نقص فعال الکتروشیمیایی ایجاد می کند، گونه های اکسیژن را در سطح CNT افزایش می دهد، و N-CNT را از نظر الکتروشیمیایی در دسترس تر از CNT های بدون دود می کند. ساختار متخلخل غنی شده N-CNT ها بر روی نمد گرافیتی، انتشار الکترولیت را تسهیل می کند در حالی که دوپینگ مستقیماً به بهبود عملکرد الکترود کمک می کند.

عملکرد با گروه های اسید سولفونیک

نانولوله‌های کربنی عامل دار با تورین که با پردازش نانولوله‌های کربنی کربوکسیله در محلول تورین تهیه می‌شوند، گروه‌های اسید سولفونیک (SO3H) را روی سطح وارد می‌کنند. این گروه‌های آبدوست مکان‌های فعال را برای واکنش‌های ردوکس افزایش می‌دهند و به عنوان حامل برای انتقال جرم و پل برای انتقال بار عمل می‌کنند. اصلاح بهینه در آن رخ می دهد 60 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت تولید نانولوله های کربنی با فعالیت الکتروکاتالیستی برتر در مقایسه با نانولوله های کربنی کربوکسیله بکر.

عملکرد الکتروشیمیایی و سینتیک واکنش

اصلاح CNT ها اساساً رفتار الکتروشیمیایی الکترود احساس شده را با بهبود سینتیک واکنش، کاهش مقاومت انتقال بار و افزایش برگشت پذیری ردوکس تغییر می دهد. این پیشرفت‌ها از طریق تکنیک‌های استاندارد توصیف الکتروشیمیایی قابل اندازه‌گیری هستند.

ولتامتری چرخه ای و آنالیز پیک ردوکس

برای جفت ردوکس V3/V2 در VRFB ها، الکترودهای اصلاح شده با CNT ها جریان های آندی و کاتدی را نشان می دهند. -0.132 A و 0.068 A به ترتیب، به طور قابل توجهی بالاتر از -0.065 A و 0.021 A با الکترودهای عملیات حرارتی اسیدی مشاهده شد. جداسازی پتانسیل اوج (ΔE) با اصلاح CNTها کاهش می‌یابد، که نشان‌دهنده نیاز انرژی فعال‌سازی کمتر و امکان‌سنجی واکنش بهبود یافته است. به طور مشابه، برای جفت ردوکس VO2/VO2، الکترودهای اصلاح‌شده با CNT‌ها پاسخ‌های جریانی بالاتر و جداسازی پتانسیل کمتری را نشان می‌دهند که فعالیت الکتروکاتالیستی افزایش یافته را نسبت به هر دو زوج ردوکس وانادیوم تأیید می‌کند.

کاهش مقاومت انتقال شارژ

طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) نشان می‌دهد که الکترودهای اصلاح‌شده با CNT‌ها مقاومت انتقال بار (Rct) بسیار کمتری نسبت به الکترودهای بکر نشان می‌دهند. در یک مطالعه تطبیقی، یک الکترود اصلاح شده نانوکامپوزیت CNTs/LiFe2O3 تنها به Rct دست یافت. 50.3 Ω ، در مقایسه با 1150.3 Ω برای الکترودهای خالص LiFe2O3 و 80.5 Ω برای الکترودهای اصلاح شده فقط با CNT ها. قطر نیم دایره در نمودارهای Nyquist به طور مستقیم با مقاومت انتقال الکترون مطابقت دارد، و ترکیب CNT ها به طور مداوم این مقدار را با ایجاد مسیرهای بسیار رسانا برای انتقال الکترون کاهش می دهد.

اوج افزایش چگالی جریان

در الکترودهای کربن شیشه ای اصلاح شده با CNT، چگالی جریان اوج ولتامتری برای واکنش ردوکس 2Br-/Br2 می رسد. 16 میلی آمپر سانتی متر مربع ، که است 2.5 برابر بیشتر نسبت به الکترودهای کربن شیشه ای بکر. این افزایش به تعداد بیشتر سایت‌های فعال موجود بر روی سطوح CNT نسبت داده می‌شود که نشان‌دهنده اثر الکتروکاتالیستی بالای نانولوله‌های کربنی نسبت به واکنش‌های ردوکس مبتنی بر برم در سلول‌های جریان روی-برم است.

کاربردها در سیستم های ذخیره سازی انرژی

نمد الکترود اصلاح شده با CNT ها کاربرد استثنایی را در بسترهای ذخیره و تبدیل انرژی الکتروشیمیایی متعدد نشان داده است، با باتری های جریان ردوکس وانادیوم و سلول های سوختی میکروبی که گسترده ترین کاربردها را نشان می دهند.

باتری های جریان ردوکس وانادیوم

در آزمایش‌های تک سلولی VRFB، باتری‌هایی که با الکترودهای اصلاح‌شده با CNT مونتاژ می‌شوند، به طور مداوم از باتری‌های دارای نمد گرافیتی بکر بهتر عمل می‌کنند. در چگالی جریان 300 میلی آمپر سانتی‌متر مربع، الکترودهای نمدی گرافیتی پوشش‌داده‌شده با CNT‌های سولفونه شده به یک بازده ولتاژ 81.46% و یک بهره وری انرژی 78.83٪ ، نشان دهنده پیشرفت های 6.15٪ و 6.12٪ به ترتیب بیش از نمد گرافیت معمولی (75.31٪ و 72.71٪). ظرفیت شارژ افزایش می یابد 25.58٪ و ظرفیت تخلیه توسط 26.92٪ در مقایسه با الکترودهای اصلاح نشده

الکترودهای نمدی گرافیتی اصلاح شده با نانولوله کربنی کربوکسیل چند دیواره کربوکسیل دوپ شده با نیتروژن، به قدرت بالاتری دست می یابند. بهره وری انرژی 80.54٪ در 80 میلی آمپر سانتی‌متر مربع، با بهبود بازده ولتاژ 72.05٪ (بکر) به 84.28٪ . عملکرد بهبود یافته به اثر هم افزایی مواد ناخالص نیتروژن و گروه های حاوی اکسیژن نسبت داده می شود که باعث کاهش پلاریزاسیون الکتروشیمیایی و افزایش سینتیک واکنش به سمت واکنش های ردوکس VO2 / VO2 می شود.

سلول های سوختی میکروبی

در MFCهای دو محفظه، بیواندهای کربنی اصلاح شده با MnO2-CNT به یک حداکثر چگالی توان 3471.6 mW m-3 ، که است 1.96 برابر بالاتر از آندهای CF/CNT (1772.6 mW m-3) و به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از آندهای مبتنی بر کربن معمولی است. ولتاژ مدار باز می رسد 899 میلی ولت در مقایسه با 611 میلی ولت برای آندهای اصلاح نشده. در ولتاژ خروجی 450 میلی ولت، چگالی جریان آند اصلاح شده برابر است با 1.19 A m² ، که است 4.1 times higher than the control.

ظرفیت کل ذخیره شارژ بیواند خازنی می رسد 8777.1 سانتی‌گراد متر مربع در طول چرخه های شارژ/دشارژ 30 دقیقه ای، یعنی 2.74 برابر بیشتر نسبت به آند CF/CNT شارژ ذخیره شده به طور خاص افزایش می یابد 8.06 بار (1127.1 C m-2 در مقابل 139.92 C m-²)، نشان دهنده قابلیت ذخیره انرژی استثنایی اصلاح کامپوزیت است.

باتری های روی برم ردوکس فلو

الکترودهای نمدی کربنی با پوشش CNT که به عنوان الکترودهای برم در سلول‌های جریان روی برم استفاده می‌شوند، عملکرد الکتروشیمیایی بهتری را ارائه می‌دهند. بازده ولتاژ 87% , بازده کولمبی 77% ، و بهره وری انرژی 67 درصد هنگامی که اصلاح CNT به 90٪ پوشش می رسد. CNT ها فعالیت الکتروکاتالیستی بالا، رسانایی الکتریکی افزایش یافته و استحکام مکانیکی را با مدول یانگ بالا ارائه می دهند که آنها را برای کاربردهای الکترود مثبت در سیستم های قابل شارژ روی-برم ایده آل می کند.

پایداری و دوام طولانی مدت

طول عمر عملیاتی نمد الکترود اصلاح شده CNT ها یک عامل حیاتی برای دوام تجاری است. آزمایش‌های دوچرخه‌سواری توسعه‌یافته تأیید می‌کنند که این تغییرات مزایای عملکردی خود را نسبت به صدها چرخه شارژ/دشارژ حفظ می‌کنند.

در سیستم‌های VRFB، نمد کربن اصلاح‌شده با شبکه نانولوله‌های کربنی دوپ‌شده با N، پایداری طولانی‌مدت را در سراسر جهان نشان می‌دهد. 550 سیکل شارژ-دشارژ متوالی در 200 میلی آمپر سانتی‌متر مربع در حالی که بازده انرژی بالا را حفظ می‌کند. تجزیه و تحلیل SEM پس از مرگ نمد گرافیت پوشیده شده با CNT های سولفونه شده پس از 50 چرخه تأیید می کند که CNT ها به طور محکم به سطح نمد گرافیت متصل می شوند، حتی در شرایط الکترولیت بسیار اسیدی (3 M H2SO4). متوسط راندمان ولتاژ بیش از 50 سیکل در 200 میلی آمپر سانتی‌متر مربع پایدار می‌ماند. 87.12٪ با بهره وری انرژی از 83.95٪ ، در مقایسه با 81.75% and 78.71% for conventional graphite felt.

برای باتری‌های جریان ردوکس غیرآبی، الکترودهای مبتنی بر CNT نمایش داده می‌شوند 1.23 برابر بازده انرژی بالاتر نسبت به الکترودهای معمولی، با تجزیه و تحلیل پس از کشتار نشان داد که نانوذرات حتی پس از چرخش شدید شارژ-دشارژ زمانی که با استفاده از آینومر Nafion در حد بهینه متصل می شوند، به الیاف نمدی کربن متصل می مانند. 15 درصد وزنی نسبت

خلاصه عملکرد مقایسه ای

ملاحظات پیاده سازی عملی

اجرای موفقیت آمیز نمد الکترود اصلاح شده CNT ها نیازمند توجه به چندین عامل عملی است که هم بر عملکرد و هم مقرون به صرفه بودن تأثیر می گذارد.

غلظت بهینه بارگیری CNT

تحقیقات نشان می دهد که بارگذاری CNT از یک رابطه غیر خطی با عملکرد پیروی می کند. در کاتدهای MFC، حداکثر چگالی توان از 2178.6 mW/m² در محتوای CNT حاصل می شود 0.035 گرم (7٪ با توجه به کربن فعال) ، در حالی که بارهای بالاتر (10 درصد وزنی) به دلیل افزایش مقاومت انتقال جرم و کاهش تخلخل منجر به کاهش عملکرد می شود. به طور مشابه، برای آندهای نمدی کربن در MFCها، غلظت 4% w/v CNT (CF/CNT2) بهتر از غلظت‌های پایین‌تر (2%) و بالاتر (6%) است که نشان‌دهنده تعادل بهینه بین افزایش رسانایی و حفظ ساختار متخلخل لازم برای جریان الکترولیت و اتصال بیوفیلم است.

استراتژی های چسبندگی و چسبندگی

پایداری طولانی‌مدت پوشش‌های CNT به شدت به استراتژی اتصال بکار گرفته شده بستگی دارد. برای سیستم های غیر آبی، آینومر Nafion در a 15 درصد وزنی نسبت به کربن استحکام اتصال بهینه را در عین حفظ عملکرد الکتروشیمیایی فراهم می کند. در سیستم‌های آبی VRFB، رشد مستقیم CVD در مقایسه با لایه‌های CNT با پوشش دوغاب یا پوشش‌دهی شده با دوغاب، چسبندگی بهتری را ارائه می‌دهد، زیرا پیوند کووالانسی و مکانیکی در سطح مشترک رشد در برابر لایه‌لایه شدن تحت شرایط طولانی مدت اسیدی و شرایط جریان مقاومت می‌کند.

نرخ جریان الکترولیت و بهینه سازی چگالی جریان

عملکرد VRFB با الکترودهای اصلاح شده با CNT ها با افزایش نرخ جریان الکترولیت به دلیل افزایش انتقال جرم و کاهش قطبش غلظت بهبود می یابد. با این حال، در چگالی جریان بالاتر (بالاتر از 40 میلی آمپر سانتی‌متر مربع)، تلفات پلاریزاسیون افزایش می‌یابد و عملکرد باتری کاهش می‌یابد. بنابراین طراحی سیستم باید سینتیک واکنش افزایش یافته ارائه شده توسط CNT ها را در برابر محدودیت های حمل و نقل اهمی و جرمی که در چگالی جریان بالا غالب می شوند، متعادل کند. پیکربندی باتری بدون صفحات کلکتور جریان به دلیل کاهش مقاومت داخلی، راندمان بهبود یافته (62.93٪ در مقابل 60.25٪ بازده انرژی) را نشان می دهد، که نشان می دهد طراحی رابط الکترود-کلکتور به اندازه خود اصلاح CNT حیاتی است.

مسیرهای توسعه آینده

زمینه نمد الکترود اصلاح شده CNT ها به سمت عملکرد بالاتر، هزینه کمتر و دامنه کاربرد گسترده تر در حال تکامل است. روندهای نوظهور به چندین مسیر توسعه امیدوارکننده اشاره می کنند.

استراتژی‌های دوپینگ چند هترواتمی با ترکیب نیتروژن، گوگرد، بور و فسفر در حال افزایش است. نانولوله‌های کربنی دوپ‌شده B، N رشد یافته روی نمد کربن از طریق تجزیه پیش‌ساز ZIF-67 نشان می‌دهد که تنظیم دقیق نسبت N/B می‌تواند به طور همزمان به انتقال سریع الکترون، انتقال جرم آسان و عملکرد کاتالیزوری بالا دست یابد. این سیستم‌های چند دوپ شده ساختارهای الکترونیکی را تغییر می‌دهند و مکان‌های جذب ترجیحی برای یون‌های وانادیوم ایجاد می‌کنند و سینتیک‌های ردوکس را فراتر از آنچه سیستم‌های تک ناخالص به دست می‌آورند، ارتقا می‌دهند.

روش های سنتز پایدار و سازگار با محیط زیست نیز در حال پیشرفت هستند. CNT های عامل دار تورین که از طریق اصلاح محلول ساده تهیه می شوند، از کاتالیزورهای فلزی پرهزینه و تجهیزات پیچیده CVD جلوگیری می کنند. به طور مشابه، MWCNT های کربوکسیل دوپه شده از نیتروژن مشتق شده از دوپامین از منابع نیتروژن دوستدار محیط زیست استفاده می کنند و بدون نیاز به پیش سازهای گران قیمت یا پردازش دقیق، بازده انرژی 80.54٪ را به دست می آورند. این رویکردها ضمن حفظ عملکرد الکتروشیمیایی بالا، هزینه های تولید و اثرات زیست محیطی را کاهش می دهند.

ادغام با سایر نانومواد مرز دیگری را نشان می دهد. ترکیب نانولوله‌های کربنی با اکسیدهای فلزی (MnO2، CeO2)، چارچوب‌های فلزی-آلی (ZIFs)، یا مشتقات گرافن، ساختارهای سلسله مراتبی ایجاد می‌کند که به طور همزمان محدودیت‌های عملکردی متعددی را برطرف می‌کند. به عنوان مثال، نمدهای کربن اصلاح شده با ZIF با مراکز فلزی (روی، مس، نیکل) به بهبود بازده انرژی تا حد امکان می‌رسند. 29% و ظرفیت افزایش می یابد 33% ، نشان می دهد که رویکردهای ترکیبی می توانند از عملکرد اصلاحات فقط CNT پیشی بگیرند.