经KOH处理的电纺纳米纤维垫的制备与表征及其作为铁基氧化还原液流电池电极的性能研究

DOI:10.1016/j.est.2019.101053

以聚丙烯腈（PAN）为前驱体，经KOH溶液和热处理，制备了一系列电纺纳米纤维毡。研究了热处理和KOH处理的电纺纳米纤维毡作为铁基氧化还原液流电池（RFBs）的电极。此外，对处理过的电纺纳米纤维毡的形貌、孔隙率、润湿性和循环伏安进行了研究。KOH处理有效地减小了纤维直径，提高了纤维毡的孔隙率，并增强了表面润湿性。具体而言，经热处理和4 M KOH处理的电纺纳米纤维毡的纤维直径约为300 nm，孔隙率为92％，接触角为20°。与单独热处理的电纺纳米纤维毡相比，在相同扫描速率下，经热处理和4 M KOH处理的电纺纳米纤维毡使Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环伏安图中的阳极峰值电流增加了60%，显著提高了比表面积。KOH处理似乎没有改变峰分离：不论单独使用热处理还是使用热处理和KOH溶液，在所有电纺纳米纤维垫上，以10 mV/s的扫描速率观察到约120 mV的电压。这些电纺纳米纤维毡的峰分离比商用碳毡的峰分离要窄得多（3 mV/s时为977 mV），这表明氧化还原活性大大提高。窄的峰分离和合理范围的高电流表明，经处理的静电纺纳米纤维毡有望用作铁基氧化还原液流电池和其他水性电池的电极。

图1.普通氧化还原液流电池的示意图。

图2.制备处理过的静电纺PAN纳米纤维毡的工艺流程。

图3.在最佳条件下制备的静电纺PAN纳米纤维毡的图像：（a）照片图像，（b）SEM图像。

图4.电纺纳米纤维毡的SEM图像：（a）热处理之前，（b）热处理之后。

图5.碱处理的电纺纳米纤维垫在不同的KOH浓度下的SEM图像：（a）1 M，（b）4 M。

图6.未经处理和经处理的电纺纳米纤维毡的孔隙率。

图7. Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原在经过热处理的电纺纳米纤维垫上的循环伏安图。

图8.在加热和1 M KOH处理的电纺纳米纤维垫上，Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原的循环伏安图。

图9.在加热和4 M KOH处理的电纺纳米纤维垫上，Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原的循环伏安图。

图10.在三种经不同处理（以相同的扫描速率10 mV/s）的静电纺纳米纤维毡上，Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原的循环伏安图的比较。

图11.市售碳毡上Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原的循环伏安图。

图12.在三个电纺纳米纤维垫和市售碳毡上的Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原的循环伏安图中的峰分离以及扫描速率。