N掺杂碳电极上含N官能团对V（II）/V（III），V(IV)/V(V)电化学性能影响机理研究

Based on the fact, that the N doped carbon materials showed better electrochemical performance when used as electrode for all vanadium redox flow battery than that of the un--doped one. meanwhile, the electrochemical properties varied whit the N-doped method and reaction condition. In this project, we intends to adopt precursor method or hydrothermal method combined with postprocessing method to control the N functional groups and their contents in carbon material. Electrochemical quartz crystal microbalance technique will be used to display the behaviors and mechanisms of N functional groups and their quality on the electrochemical performance of vanadium ions. Materials Studio software will be employed to simulate the kinetics of lossing or receiving electronic process for different vanadium ions. Carbon materials containing specific N functional groups which would improve the electrochemical performance of vanadium ion on the electrode will be design and synthesis.

基于N掺杂碳材料用于全钒液流电池电极时，具有比未掺N电极更高的电化学活性，且不同掺N方法与条件下获得的碳材料的电化学活性差异较大这一事实，本项目拟采用前驱体法或水热法与后处理法相结合的方法，控制合成具有特定质量和种类的含N官能团的碳材料；采用电化学石英微天平技术，研究含N官能团种类和质量对不同价态钒离子电化学性能影响行为与机制；采用Materials Studio软件模拟不同价态钒离子在不同N官能团上得、失电子过程与动力学，并探明含N官能团对钒离子得、失电子可逆性改善的机理；为具有高电化学活性的钒电池电极材料组成设计和合成提供理论依据与实验指导。

N掺杂碳材料在全钒液流电池中展现出一定的催化活性，不同掺N的方法与条件下获得的碳材料电化学活性差异较大。通过调控前驱体和后处理方法能够有效调节N的掺杂形式和含量，研究N掺杂形式及含量对不同价态钒离子电化学性能的影响机制，对于充分利用N掺杂的优势提升全钒液流电池性能的关键。本项目研究了在碳材料中N掺杂位置及含量的控制方法与条件研究，并分析其对不同价态V离子的活性及反应机理，制备高N含量、高比表面积的二维碳材料，研究提高N掺杂含量的固氮机制和二维超薄N掺杂碳材料的制备方法；通过前驱体配体调控、热解过程调控及刻蚀机制获得具有不同N掺杂类型的碳材料，研究构筑特定N掺杂类型的方法及其对碳材料的影响；通过系统研究金属-氮位点的电子结构，研究金属-氮-碳材料的M-Nx位点构筑策略及其对碳缺陷的影响；同时选择合适的碳材料，金属-氮-碳材料用以研究其对V2+/V3+,V4+/V5+的催化活性影响。研究表明，G-N与Fe-Nx比例增强，大大改善了材料对了V4+/5+、V2+/3+的催化活性，降低了材料的电荷传质电阻，提高了钒电池在大电流充放电时的容量和电解液利用率，也提高了电池的能量转化效率。同时，研究对全钒液流电池负极反应具有高催化活性的催化材料制备及其对钒催化机制，制备得到Bi基金属修饰碳电极展现出对钒V2+/V3+优异的催化性能。本项目的研究表明，通过前驱体结构的合理设计和热解过程调控能够实现N掺杂位置和含量的有效控制，通过筛选有效N掺杂碳材料和Bi基催化剂，均能表现出对钒离子的优异的催化活性，为催化剂材料的设计提供方法基础和理论指导。