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论文赏析

第一作者：王峄杰

通讯作者：黄康

通讯单位：南京工业大学

DOI：10.1016/j.ces.2026.124431

感谢南京工业大学黄康团队（第一作者：王峄杰）校稿！

工作简介

本文提出了一种针对ZIF-8的亚分钟级电化学沉积-碳化策略，可在碳毡表面快速构筑具有层级多孔结构、缺陷丰富的碳架构，从而优化碳毡电极的电子结构并提升其对钒氧化还原反应的催化活性。通过超快电化学沉积法制备的ZIF-8前驱体在后续热碳化过程中会发生配体分解和金属节点去除，形成相互连接的介孔结构，促进电解质渗透与传输，同时引入高密度拓扑缺陷及费米能级附近具有高电子态的不饱和碳位点。所得碳架构可通过可扩展的单步电化学路线均匀锚定于碳纤维上，兼具结构稳定性以及丰富且易于获取的活性位点，从而加速关键的VO²⁺/VO₂⁺和V³⁺/V²⁺氧化还原反应。采用ZIF-8衍生碳电极的钒液流电池（VFB）在160mA cm⁻²和200mA cm⁻²时分别展现出82.7%和79.3%的EE，并在200mA cm⁻²下经500次循环仍保持优异的循环稳定性。

《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》

武汉之升新能源2026版官网

www.whzs-vfb.com

研究背景

作为钒液流电池（VFB）的核心组件之一，电极是阳极液与阴极液氧化还原反应的发生场所，直接决定着电池的效率和功率密度。碳毡因成本低廉、导电性优异且化学稳定性高，在VFB中得到广泛应用。然而，固有的催化活性和电化学活性较差，限制了电池的功率输出，成为阻碍VFB广泛应用的主要障碍。

核心内容

1.材料结构表征

图1不同电极SEM和结构特点

原始CF呈现规则的圆柱状结构且表面光滑；而沉积处理后的CF-50–30表面则均匀覆盖着大量边界清晰的多面体颗粒。通过CF-50–30高温热解制备的PCF-50–30的碳化过程促使ZIF-8在碳毡表面发生形态演变，典型的明确多面体结构转变为更光滑的颗粒及不规则团簇结构。FT-IR光谱显示原始CF仅显示微弱的红外吸收峰，表明表面化学官能团极少，主要由非晶态或石墨状碳构成；而且，在氩气氛围下于800°C煅烧后，CF的FT-IR光谱未出现明显变化。作为对照，空气环境中800°C煅烧的碳毡其FT-IR光谱则呈现显著变化，证实氧化气氛下的高温处理会改变碳毡的表面化学组成。

XRD分析结果证实了ZIF-8已完全碳化。CF-50–30样品在2θ≈12.8°处的衍射峰可归属于ZIF-8的(112)晶面。然而，与ZIF-8相关的衍射峰在煅烧后消失，表明ZIF-8骨架在热碳化过程中被破坏并有效转化为ZIF-8衍生碳。拉曼光谱图显示对于PCF-50–30样品，在沉积ZIF-8并进行高温碳化后，其I_D/I_G略有上升，表明材料的结构有序性有所降低而缺陷密度增加。BET显示CF的吸附容量相对较低，而PCF-50–30则表现出显著更高的吸附容量，并伴有明显的滞后环。ZIF-8衍生碳电极的孔径分布显示CF的孔隙分布较为稀疏，而PCF-50–30的孔隙数量显著增加，孔道尺寸介于3至4纳米之间。上述结果表明ZIF-8沉积后经碳化处理可在碳毡表面形成大量介孔，主要归因于碳化过程中ZIF-8中有机配体的分解释放气体，从而促进了新孔结构的形成。

2.电化学性能及作用机制验证

图2不同电极的电化学性质

与CF相比，PCF-50–30在VO²⁺/VO₂⁺和V³⁺/V²⁺中均表现出更高的峰值电流密度和更小的峰间电压差（ΔE）。在VO²⁺/VO₂⁺体系中，PCF-50–30的峰值电流密度分别为101.41mA cm^-2和-133.11mA cm^-2，均高于CF电极的数值。在V³⁺/V²⁺体系中观察到与CF材料（分别为91.52mA cm^-2和-116.57mA cm^-2）相比，PCF-50–30的峰值电流密度分别达到112.13mA cm^-2和-147.48mA cm^-2。V³⁺/V²⁺电解质中更高的峰值电流密度与PCF-50–30富含缺陷的碳结构密切相关，增加的缺陷密度和未饱和碳位点为钒氧化还原反应提供了更多电化学可及的活性中心。此外，碳化过程中形成的未饱和碳位点有助于界面电子转移并提升钒离子吸附能力；而介孔结构与增大表面积则促进了电解质渗透和离子传输。同时，EIS结果进一步证实了PCF-50–30优异的电子传输和离子扩散能力。

此外，LSV评估电极上的析氢反应（HER）：在−10mA cm⁻²下，PCF-50–30电极的HER起始电位为−0.78V，CF电极为−0.57V。超过100mV的负偏移明显表明ZIF-8衍生碳电极对HER的抑制效果显著增强。

图3电极材料的密度泛函理论（DFT）计算结果

对于VO₂⁺的吸附，ZIF-8衍生碳电极的吸附能为1.69eV，而未改性电极仅为0.31eV；对于VO²⁺的吸附，ZIF-8衍生碳电极的吸附能为1.62eV，远高于未改性电极的1.34eV。吸附能的升高可归因于富缺陷碳骨架提供了更多不饱和配位位点以及与钒物种更强的电子相互作用。态密度分析表明，与未改性的碳毡相比，ZIF-8衍生碳电极在费米能级（0eV）处表现出显著更高的态密度，表明本征电子导电性增强。并且，缺陷工程材料在费米能级附近表现出显著升高的态密度。总体而言，态密度分析证实ZIF-8改性引入的结构缺陷有效提升了电极的电子态密度，从而促进电子传输并改善电催化反应动力学。

4.VFB电池性能

图4不同电极的电池性能

与CF相比，配备PCF-50-30的电池在40-240mA cm^-2内始终表现出更高的库伦效率（CE），反映出电化学可逆性增强和副反应减少。在电压效率（VE）方面，PCF-50–30展现出显著优势。在电流密度为40mA cm⁻²时，VE达到95.8%，而CF电极仅为92.2%。随着电流密度增加，PCF-50–30的VE在200mA cm⁻²时仍保持高达80.4%，而CF电极的VE则降至约68.6%。因此，在整个电流密度范围内，PCF-50–30均表现出持续高于CF电极的能量效率（EE），归因于PCF-50–30优异的电子导电性及增强的氧化还原反应动力学特性。

此外，PCF-50–30在200mA cm⁻²下可提供261mAh的放电容量，显著高于CF的194mAh，表明ZIF-8衍生多孔结构能更高效地利用电活性物质并改善氧化还原动力学。长循环测试显示在200mA cm⁻²下，PCF-50–30在500次循环中保持约80%的EE，未出现明显性能衰减，性能优于CF电极。

核心结论

本文通过将ZIF-8以超快速、高精度的方式电化学沉积于碳毡表面，随后进行高温碳化处理成功制备了基于ZIF-8的碳电极。与碳毡电极相比，ZIF-8衍生的碳电极在比表面积和分级孔结构方面表现出显著改善，协同增强了电极润湿性并加速了电解质扩散。在电化学性能评估中，ZIF-8衍生碳电极展现出显著提升的电催化活性和加速的氧化还原反应动力学。此外，密度泛函理论计算进一步验证了该电极优异的催化性能。在VFB性能测试中，ZIF-8衍生碳电极在200mA cm⁻²下实现了79.3%的EE；经过500次循环后仍保持稳定的EE，充分体现了其卓越的循环稳定性。