经过热处理的石墨毡电极，表面涂覆了二硫化钼，用于钒氧化还原液流电池

《Journal of Energy Storage》：Thermally treated graphite felt electrodes coated with molybdenum disulfide for vanadium redox flow batteries

MoS?涂层石墨 fel电极经水热法与氩热处理改性后，显著提升电化学性能及稳定性，比表面积翻倍，电荷转移电阻降至0.56Ω，长循环下电压效率保持75%，为VRFB提供高效电极方案。

　　本研究聚焦于提升钒液流电池（Vanadium Redox Flow Batteries, VRFBs）中石墨毡（Graphite Felt, GF）电极的性能与稳定性，通过在GF表面沉积二硫化钼（MoS?）纳米颗粒，并结合氩气热处理技术，实现了对电极材料的双重改性。这种改进策略不仅优化了GF的表面特性，还显著提升了其在VRFB中的电化学活性，为实现高效、稳定的能量存储系统提供了新的可能性。

VRFB作为一种重要的能量存储技术，因其能够实现大容量、长周期的能量存储而受到广泛关注。该电池系统依赖于钒离子在不同氧化态之间的可逆氧化还原反应，而电极作为这一反应的核心场所，其性能直接影响电池的整体效率与寿命。传统GF电极虽然具备良好的导电性、机械强度和化学稳定性，但其表面的疏水性限制了电解液的渗透能力，导致电极与电解液接触面积不足，进而影响电化学反应效率。此外，GF的比表面积有限，且催化活性不足，使得其在酸性电解液环境下的反应动力学较慢，降低了电池的功率输出与能量转换效率。

为了克服这些局限性，研究人员尝试了多种改性策略，包括引入含氧官能团和使用电催化剂。然而，这些方法在提升电化学性能方面效果有限。相比之下，过渡金属硫化物因其独特的结构与性能，成为提升电极性能的有力候选材料。其中，MoS?因其高导电性、丰富的催化活性位点以及良好的酸性环境稳定性，逐渐成为研究的热点。MoS?的层状结构不仅提供了较大的比表面积，还允许离子在层间快速扩散，从而提升反应速率。同时，其金属-硫键有助于电子的有效传递，进一步增强电化学活性。

本研究采用了一种结合水热法与氩气热处理的双重改性策略，以实现对GF电极的全面优化。首先，通过水热法在GF表面均匀沉积MoS?纳米颗粒。这一过程在温和的条件下进行，避免了高温对GF结构的破坏，同时确保了MoS?颗粒的均匀分布。随后，将沉积后的GF电极置于氩气氛围中进行热处理，温度范围从600至900摄氏度不等。热处理不仅促进了MoS?的结晶化，还增强了其与GF基底之间的电子耦合，从而提高了电荷转移效率。此外，热处理过程有助于改善GF的表面润湿性，使其更易于与电解液接触，进一步优化电极的反应性能。

在材料表征方面，X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析确认了MoS?的成功沉积，并显示了其在热处理后结晶度的显著提升。扫描电子显微镜（FESEM）图像则揭示了MoS?纳米颗粒在GF表面的均匀分布情况，随着热处理温度的升高，颗粒尺寸增大，覆盖范围更广。这些微观结构的变化直接反映在材料的宏观性能上，例如比表面积的增加。通过BET（Brunauer-Emmett-Teller）分析发现，经过热处理的MoS?-GF电极比表面积较原始GF提升了近一倍，这为提高电极的反应活性提供了有利条件。

在电化学性能方面，MoS?-GF电极表现出优异的性能。循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）结果显示，改性后的电极在氧化还原反应过程中表现出更低的极化现象，说明其反应动力学得到了显著改善。交流阻抗谱（AC Impedance Spectroscopy, EIS）分析进一步验证了这一点，表明MoS?-GF电极的电荷转移电阻（Charge Transfer Resistance, CTR）显著降低，从原始GF的较高值降至0.56 Ω。这一数值的下降意味着电极内部的电子传递过程更加顺畅，减少了能量损失，提高了电池的效率。

在实际电池测试中，MoS?-GF电极在40 mA cm?2的电流密度下实现了约86%的电压效率和59%的能量效率，显示出其在高电流密度条件下的卓越性能。而在长期循环测试中，该电极在60 mA cm?2的电流密度下仍能保持约75%的电压效率，表明其具有良好的循环稳定性。这些结果表明，MoS?-GF电极不仅能够提升电池的短期性能，还能够在长时间运行中保持高效和稳定，为VRFB的实际应用提供了有力支持。

除了电化学性能的提升，MoS?-GF电极在热稳定性方面也表现出色。热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）结果显示，MoS?-GF电极的氧化温度显著低于原始GF，这说明其在高温环境下的稳定性更高。这一特性对于VRFB的长期运行尤为重要，因为电池在工作过程中可能会经历温度波动，而良好的热稳定性有助于维持电极材料的结构完整性，从而保障电池的可靠运行。

在材料制备过程中，研究人员采用了系统的方法对GF进行预处理。首先，将未经处理的GF浸入70%的乙醇-水混合溶液中，以去除表面杂质并增强其亲水性。随后，通过水浴振荡30分钟，使GF表面充分润湿，再在80摄氏度的烘箱中干燥10小时。预处理后的GF在高温炉中进行热处理，温度控制在500摄氏度，持续3小时。这一步骤不仅优化了GF的表面结构，还为后续的MoS?沉积提供了良好的基础。

为了进一步提升MoS?-GF电极的性能，研究人员采用了氩气热处理技术。这一过程在不同的温度条件下进行，观察到随着温度的升高，MoS?颗粒的尺寸增大，覆盖范围也更加广泛。这种颗粒的分布变化直接影响了电极的表面特性，使其在电解液中的润湿性显著增强。通过接触角测试可以明显看出，MoS?-GF电极的表面润湿性优于原始GF，这表明电解液更容易渗透到电极的孔隙中，从而提高了反应效率。

此外，MoS?-GF电极在酸性电解液中的化学稳定性也得到了验证。实验表明，MoS?在酸性条件下表现出良好的抗腐蚀能力，这使得其在VRFB的长期运行中不易发生结构破坏或性能衰减。相比之下，许多传统的金属氧化物电催化剂在酸性环境中容易发生溶解或失活，从而影响电池的效率与寿命。MoS?的这一特性使其成为一种理想的电催化剂材料，能够在保持高效反应的同时，确保电池的长期可靠性。

在实际应用中，MoS?-GF电极的优势不仅体现在其优异的电化学性能，还在于其成本效益与可扩展性。与贵金属催化剂（如铂、铱等）相比，MoS?具有更低的成本，同时其制备过程可以通过水热法实现大规模生产，这为VRFB的商业化提供了可行路径。此外，MoS?的结构可以通过热处理进行调控，从而实现对电极性能的进一步优化。例如，通过调整热处理温度，可以改变MoS?颗粒的尺寸与分布，进而影响电极的比表面积、润湿性和电荷转移效率。

本研究的创新点在于，通过结合水热法与氩气热处理技术，实现了对GF电极的双重改性，从而在多个方面提升了其性能。首先，水热法确保了MoS?纳米颗粒在GF表面的均匀沉积，为后续的热处理提供了良好的基础。其次，氩气热处理不仅促进了MoS?的结晶化，还增强了其与GF基底之间的电子耦合，从而提高了电极的导电性与反应活性。这种协同作用使得MoS?-GF电极在电化学性能、热稳定性以及润湿性等方面均优于传统的GF电极。

从应用角度来看，MoS?-GF电极的开发为VRFB技术的进一步提升提供了新的思路。在大规模可再生能源系统中，VRFB因其能够灵活调节容量、具备长寿命和高安全性而被广泛采用。然而，传统GF电极在实际运行中仍面临诸多挑战，如低比表面积、较差的润湿性以及有限的催化活性。通过引入MoS?改性，这些问题得到了有效缓解，从而使得VRFB能够更高效地进行能量存储与释放。

此外，MoS?-GF电极的优异性能也为其在其他电化学应用中的潜力提供了启示。例如，在燃料电池、超级电容器和金属-空气电池等领域，MoS?因其良好的导电性、催化活性和结构可调控性而备受关注。因此，本研究的成果不仅适用于VRFB，还可能为其他电化学储能系统提供借鉴，推动相关技术的发展。

综上所述，本研究通过一种创新的双重改性策略，成功提升了GF电极在VRFB中的性能。MoS?的沉积与热处理相结合，不仅改善了电极的表面特性，还显著增强了其电化学活性与热稳定性。这些改进使得MoS?-GF电极在高电流密度条件下仍能保持较高的电压与能量效率，同时具备良好的长期循环稳定性。该成果为VRFB技术的发展提供了新的方向，同时也为其他电化学储能系统的材料优化提供了有价值的参考。未来的研究可以进一步探索MoS?与其他材料的复合体系，以实现更高效的能量存储与转换。