一种生物质改性全钒液流电池电极及其制备方法和应用与流程

本发明属于全钒液流电池储能，特别涉及一种生物质改性全钒液流电池电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前化石能源带来的污染问题是一项全球重大挑战。全球能源需要向太阳能和风能等可再生能源过渡。而新能源的波动性问题带来了对于储能的巨大需求。全钒液流电池由于其效率高、循环寿命长等优势，是大规模储能的重点路线。但是现有全钒液流电池电极的电化学活性不高，极大影响了电极氧化还原反应的极化和效率。因而开发高电化学活性的全钒液流电池电极十分重要。

2、电极电化学性能的改善通常可以分为以下三个方面：金属如bi、cu和金属氧化物如pbo2和zro2在电极上的沉积；电极上装饰碳纳米管和石墨烯以增加电化学表面积；杂原子修饰掺杂以提升电极催化活性。其中，杂原子掺杂不仅可以使多孔碳电极加强表面功能，而且会促进多孔碳电极表面产生晶格缺陷，由于其高效和简单等优势而引起了人们的极大兴趣，尤其是氮和硼元素掺杂促进了钒的氧化还原动力学及电子传递。但全钒液流电池酸性电解质的腐蚀性会对掺杂电极的长期稳定性造成破坏。

3、生物质改性碳材料具有成本低、可持续性好、催化活性高、稳定性高等优点，尤其是藻华生物质具有比表面积高、容易获得、可有效利用废弃物等优势，可弥补掺杂电极的缺点，提供更大的反应面积和更高的转化活性，具有较强的应用前景。但是现阶段尚未发现与此相关的研究报道。

技术实现思路

1、发明为了克服现有技术中的不足，提供一种生物质改性全钒液流电池电极及其制备方法和应用。

2、作为本发明的一个目的，本发明提供一种生物质改性全钒液流电池电极的制备方法，其包括以下步骤，

3、（s1）用藻华生物质，水热反应制备多孔生物质材料中间体，离心干燥后得到生物质沉积基底材料；

4、（s2）用生物质沉积基底材料和蔗糖制备混合浆料，

5、（s3）将硼氮掺杂石墨毡电极置于所述浆料中，搅拌、干燥并冷却至室温，在氮气氛围下加热，得到改性生物质沉积杂原子掺杂石墨毡电极。

6、优选的，所述硼氮掺杂石墨毡电极通过依次将石墨毡形成氧掺杂石墨毡电极、硼掺杂石墨毡电极、硼氮掺杂石墨毡电极获得。

7、优选的，所述氧掺杂石墨毡电极的制备步骤，为将经预处理的石墨毡在空气氛围下加热获得。

8、优选的，所述硼掺杂石墨毡电极的制备步骤，为氧掺杂石墨毡电极置于硼酸钠溶液中，搅拌、干燥并冷却至室温，在氮气氛围下加热获得。

9、优选的，所述硼氮掺杂石墨毡电极的制备步骤为将硼掺杂石墨毡电极置于硝酸铵溶液中，搅拌、干燥并冷却至室温，在氮气和氧气混合氛围下加热得到。

10、优选的，所述藻华生物质具有多孔结构。

11、作为本发明的一个方面，本发明提供一种生物质改性全钒液流电池电极的制备方法所得的电极。

12、作为本发明的一个方面，本发明提供一种生物质改性全钒液流电池电极的应用，作为全钒液流电池三电极单元体系，其为以改性生物质沉积杂原子掺杂全钒液流电池电极作为工作电极，铂电极作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极，构建全钒液流电池三电极单元体系，电解液的构成为0.1 mol/l voso4和2.0 mol/l h2so4。离子交换膜采用nafion212膜。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、在现有的全钒液流电池中，电极材料性能对于电化学和极化的影响很大。现在广泛应用的电极材料包括碳毡、石墨毡、碳纸和碳布等，然而由于电极的亲水性较低和电化学性能较差等因素，现有全钒液流电池性能往往不尽如人意。最新研究成果表明，氮或硼杂原子掺杂不仅可以使全钒液流电池多孔碳电极加强表面功能，而且会促进多孔碳电极表面产生晶格缺陷，促进钒的氧化还原动力学及电子传递，具有高效和简单等优势。而全钒液流电池酸性电解质的腐蚀性会对掺杂电极的长期稳定性造成破坏。本发明创新地使用碳和氮双原子掺杂，并引入多孔废弃生物质材料以优化电极表面结构，生物质改性碳材料具有成本低、可持续性好、催化活性高、稳定性高等优点，尤其是藻华生物质具有比表面积高、容易获得、可有效利用废弃物等优势，可弥补掺杂电极的缺点，提供更大的反应面积和更高的转化活性。多孔藻华生物质沉积引入了较高的表面改性催化活性，协同降低了反应的能量壁垒，加快了电子的传递，显著降低了活化过电位。相比于氮原子掺杂全钒液流电池电极，本发明所得电极在电流密度为100 ma/cm2时,能量转化效率由69.2~71.5%提升至84.5~86.6%，电极反应速率常数由1.55~1.68 × 10−2cm/s提升至2.23~2.46 × 10−2cm/s，最高能量密度由282~298 mw/cm2提升至352~366 mw/cm2。本发明电极在150次循环后性能衰减不超过5%。

技术特征：

1.一种生物质改性全钒液流电池电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的生物质改性全钒液流电池电极的制备方法，其特征在于：所述硼氮掺杂石墨毡电极通过依次将石墨毡形成氧掺杂石墨毡电极、硼掺杂石墨毡电极、硼氮掺杂石墨毡电极获得。

3.根据权利要求2所述的生物质改性全钒液流电池电极的制备方法，其特征在于：所述氧掺杂石墨毡电极的制备步骤为，将经预处理的石墨毡在空气氛围下加热至600℃并保持2h获得，升温速率为10~12℃/min。

4.根据权利要求2所述的生物质改性全钒液流电池电极的制备方法，其特征在于：所述硼掺杂石墨毡电极的制备步骤为，氧掺杂石墨毡电极置于硼酸钠溶液中，搅拌、干燥并冷却至室温，在氮气氛围下加热至800℃并保持2 h获得，升温速率为10~12℃/min。

5.根据权利要求2所述的生物质改性全钒液流电池电极的制备方法，其特征在于：所述硼氮掺杂石墨毡电极的制备步骤为，将硼掺杂石墨毡电极置于硝酸铵溶液中，搅拌、干燥并冷却至室温，在氮气和氧气混合氛围下加热至800℃并保持2 h得到，升温速率为10~12℃/min。

6.根据权利要求1所述的生物质改性全钒液流电池电极的制备方法，其特征在于：所述藻华生物质具有多孔结构。

7.权利要求1-6任一项所述的生物质改性全钒液流电池电极的制备方法所得的电极。

8.权利要求7所述的生物质改性全钒液流电池电极的应用，其特征在于：以改性生物质沉积杂原子掺杂石墨毡电极作为工作电极，铂电极作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极，构建全钒液流电池三电极单元体系，电解液的构成为0.1 mol/l voso4和2.0 mol/lh2so4，离子交换膜采用nafion 212膜。

技术总结
本发明提供一种生物质改性全钒液流电池电极及其制备方法和应用，其包括以下步骤，（S1）用藻华生物质，水热反应制备多孔生物质材料中间体，离心干燥后得到生物质沉积基底材料；（S2）用生物质沉积基底材料和蔗糖制备混合浆料，（S3）将硼氮掺杂石墨毡电极置于所述浆料中，搅拌、干燥并冷却至室温，在氮气氛围下加热，得到改性生物质沉积杂原子掺杂石墨毡电极。多孔藻华生物质沉积引入了较高的表面改性催化活性，协同降低了反应的能量壁垒，加快了电子的传递，显著降低了活化过电位。

技术研发人员：岳良辰,聂涛涛,占顺,吴海茜,程荣,苏旭东
受保护的技术使用者：西子清洁能源装备制造股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12