近日，南方科技大学赵天寿院士课题组通过一种无金属基底的原位生长方式设计了微观传质与界面动力学协同强化的液流电池高性能电极，该电极有效结合了三维垂直结构和原子掺杂的优势，极大地增强了电极/电解液界面的质量传输特性和反应动力学。该工作突破了以往电极设计的固有思路，发展针对液流电池微观传质与界面动力学协同强化的新方法，使得液流电池能量效率和功率密度等关键指标显著提升。相关论文以“Metal-free fabrication of nitrogen-doped vertical graphene on graphite felt electrodes with enhanced reaction kinetics and mass transport for high-performance redox flow batteries”在Advanced Energy Materials（AEM）上发表。

        本研究通过一种无金属基底的热化学气相沉积方法设计了三维垂直石墨烯结构和原子掺杂的复合电极（NVG@GF），增强了质量传输特性和反应动力学，实现微观传质与界面动力学协同强化。

本工作具体探讨了该复合电极的生长机理、微观结构及成分等方面（图2）。

电化学循环性能测试结果显示，NVG@GF电极在高电流密度下具有出色的性能，表明其在实际应用中具有极大的潜力。此外，在电池长循环测试评估结果表明：NVG@GF电极在循环1500圈后，能量效率仍超过80.2%，证实了电极的非凡稳定性。

由于液流电池中能量载体处于流动状态，活性物质传输与电化学反应进行耦合设计与分析是重要的。通过多维多物理场仿真分析发现，垂直石墨烯结构的引入改善了原始碳毡微观的活性物质传质，提供了更多充足反应物的电化学反应界面。同时，优化的操作条件使得宏观传质在整个多孔电极区域高度均匀化，保证了低局部极化与高功率输出。密度泛函理论计算证据进一步表明，复合电极的设计有强离子吸附性，有效改善了反应动力学。

本工作提出了一种无金属基底的原位生长方式设计了微观传质与界面动力学协同强化的液流电池高性能电极，该电极有效结合了三维垂直石墨烯结构的设计和原子掺杂优势，极大地增强了电极/电解液界面的电化学反应特性和反应动力学，实现了微观传质与界面动力学的协同强化，适用于高性能氧化还原液流电池。

赵天寿院士、魏磊副教授、韩美胜研究员为论文共同通讯作者，机械与能源工程系2021级硕士生郭瑾聪和2022级博士生潘律名为共同第一作者。南方科技大学为论文的唯一通讯单位。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会和中盐盐穴综合利用股份有限公司的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302521

       内容转载于南科大官网：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202312/44624.htm