經KOH處理的電紡納米纖維墊的制備與表征及其作為鐵基氧化還原液流電池電極的性能研究

DOI:10.1016/j.est.2019.101053

以聚丙烯腈（PAN）為前驅體，經KOH溶液和熱處理，制備了一系列電紡納米纖維氈。研究了熱處理和KOH處理的電紡納米纖維氈作為鐵基氧化還原液流電池（RFBs）的電極。此外，對處理過的電紡納米纖維氈的形貌、孔隙率、潤濕性和循環伏安進行了研究。KOH處理有效地減小了纖維直徑，提高了纖維氈的孔隙率，并增強了表面潤濕性。具體而言，經熱處理和4 M KOH處理的電紡納米纖維氈的纖維直徑約為300 nm，孔隙率為92％，接觸角為20°。與單獨熱處理的電紡納米纖維氈相比，在相同掃描速率下，經熱處理和4 M KOH處理的電紡納米纖維氈使Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原循環伏安圖中的陽極峰值電流增加了60%，顯著提高了比表面積。KOH處理似乎沒有改變峰分離：不論單獨使用熱處理還是使用熱處理和KOH溶液，在所有電紡納米纖維墊上，以10 mV/s的掃描速率觀察到約120 mV的電壓。這些電紡納米纖維氈的峰分離比商用碳氈的峰分離要窄得多（3 mV/s時為977 mV），這表明氧化還原活性大大提高。窄的峰分離和合理范圍的高電流表明，經處理的靜電紡納米纖維氈有望用作鐵基氧化還原液流電池和其他水性電池的電極。

圖1.普通氧化還原液流電池的示意圖。

圖2.制備處理過的靜電紡PAN納米纖維氈的工藝流程。

圖3.在最佳條件下制備的靜電紡PAN納米纖維氈的圖像：（a）照片圖像，（b）SEM圖像。

圖4.電紡納米纖維氈的SEM圖像：（a）熱處理之前，（b）熱處理之后。

圖5.堿處理的電紡納米纖維墊在不同的KOH濃度下的SEM圖像：（a）1 M，（b）4 M。

圖6.未經處理和經處理的電紡納米纖維氈的孔隙率。

圖7. Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原在經過熱處理的電紡納米纖維墊上的循環伏安圖。

圖8.在加熱和1 M KOH處理的電紡納米纖維墊上，Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原的循環伏安圖。

圖9.在加熱和4 M KOH處理的電紡納米纖維墊上，Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原的循環伏安圖。

圖10.在三種經不同處理（以相同的掃描速率10 mV/s）的靜電紡納米纖維氈上，Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原的循環伏安圖的比較。

圖11.市售碳氈上Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原的循環伏安圖。

圖12.在三個電紡納米纖維墊和市售碳氈上的Fe³⁺/Fe²⁺氧化還原的循環伏安圖中的峰分離以及掃描速率。