石墨毡电极上导电聚合物/多维碳复合材料，用于液体热电化学电池

1成果简介

热电化学电池（TECs）是一项前景广阔的技术，它能将废热转化为电能，为提高能源效率和减少温室气体排放提供了有效途径。然而，热电化学电池的发电量往往受到电极效率低下的限制。本文，四川大学Wei Yang 等研究人员在《ACS Sustainable Chem. Eng》期刊发表名为“Conductive Polymer/Multidimensional Carbon Composite on Graphite Felt Electrodes for Liquid Thermo-Electrochemical Cells”的论文，研究在石墨毡电极上设计了一种用于TEC的导电聚合物/多维碳复合材料。导电聚合物和多维碳复合材料提高了有效表面积，改善了氧化还原反应活性位点的可及性，解决了电子从电极转移到表面和界面的难题。

此外，石墨毡电极的开放式多孔结构有助于克服氧化还原离子的扩散限制。研究了电极特性与氧化还原反应活性之间的电催化关系。结果表明，多维碳结构有利于质量传输，离子扩散系数从 7.71 × 10-12 m2/s 提高到 7.29 × 10-11 m2/s，而聚苯胺的沉积则有效提高了电极的内在活性，氧化还原反应的表观速率常数提高了 1.6 至 1.7 倍。使用制备的电极的 TEC 最大功率密度为 1664 mW/m2，卡诺相对效率为 1.97%，分别是裸石墨毡电极的 9.2 倍和 8.9 倍。总之，这项研究为 TEC 中高效电极的设计提供了一种策略，为未来高效废热转换系统的研究提供了指导。

2图文导读

图1. (a) SEM images, (b) XRD patterns, (c) Raman spectrum, (d) FTIR microscopy, (e) XPS spectrum of the electrodes, and high-resolution (f) C 1s and (g) N 1s of MC GF-20.

图2. (a) CV curves of the electrodes, (b) CV curves of MC GF-20, (c) relationship between the peak current density and the scan rate, (d) relationship between the peak current density and the square root of the scan rate, (e) Nyquist plots of the electrodes, and (f) variation ofZ′ with ω–0.5 in the low-frequency region.

图3. (a–d) Polarization and power density curves of the TECs with GF, MC GF-10, MC GF-20, and MC GF-30, respectively. (e) Maximum power density of TEC with the electrode prepared at sodium citrate solution mass fractions from 0 to 30%. (f) OCV of the TECs.

图4. (a) SEM pictures, (b) XRD patterns, (c) FTIR spectra, and (d) Raman spectra of PANI/MC GF electrodes. High-resolution (e) C 1s and (f) N 1s spectra of the PANI/MC GF-0.05 electrode.

图5. (a) CV curves of PANI/MC GF electrodes. (b) CV curves of PANI/MC GF-0.05. (c) Relationship between peak current density and the scan rate. (d) Relationship between peak current density and the square root of the scan rate. (e) Potential differences between oxidation and reduction peaks. (f) Peak current density. (g) Nyquist plots for the prepared electrodes. Apparent rate constant for (h) oxidation and (i) reduction reactions.

图6. (a–d) Polarization and power density curves of the TECs with MC GF, PANI/MC GF-0.05, PANI/MC GF-0.10, and PANI/MC GF-0.15, respectively. (e) Maximum power density of TEC with the electrode prepared at PANI concentrations from 0 to 0.15 M. (f) OCV of the TECs.

3小结

在本文中，我们在石墨毡电极上设计了一种导电聚合物/多维碳复合材料，以缓解氧化还原离子的扩散限制并提高活性位点的可及性。导电聚合物和多维碳复合材料有效地提供了足够的表面积，促进了活性位点的可及性，解决了电解质-电极界面上离子-电子转移的难题。此外，石墨毡的开放式结构也有助于缓解氧化还原离子扩散受限的问题。对所制备电极的理化特性和电化学性能进行了全面评估。结果表明，多维碳结构的形成确实将离子扩散系数从7.71×10-12 m2/s 提高到了7.29×10-11m2/s。此外，PANI 的沉积有效提高了电极的内在活性，还原反应的表观速率常数从8.68× 10-3降至2.25×10-2cm/s，氧化反应的表观速率常数从 6.23×10-3降至1.71×10-2 cm/s。最后，使用制备的电极的 TEC达到了1664mW/m2 的最大功率密度和1.97%的卡诺相对效率，分别是对照石墨毡电极的9.2倍和8.9倍。总之，这项研究为热电化学转换系统的电极设计提供了一种替代策略，为未来热电化学转换高效系统的研究提供了指导。

文献：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c01299

来源：材料分析与应用