Характеристики заряд-разрядного цикла водородно-бромной батареи с катодом IrO2/TiO2 на титановом войлоке в режиме полного использования емкости

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследован циклический заряд-разрядный процесс единичной ячейки водородно-бромной батареи, катод которой представляет собой запитываемый водным раствором HBr/Br2 пористый титановый войлок с покрытием на основе оксидов IrO2 и TiO2, анодом служит водородный газодиффузионный электрод с каталитическим слоем Pt/C, а перенос ионов водорода между ними осуществляет перфторированная сульфокатионообменная мембрана GP-IEM 103. Методами сканирующей электронной микроскопии c рентгеноспектральным микроанализом, спектроскопии комбинационного рассеяния и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии охарактеризованы морфология, а также фазовый и химический состав материала катода. Условие переключения между зарядным и разрядным полуциклами (верхний предел по напряжению) выбрано исходя из минимизации содержания в нем бромид-анионов (как и полибромидов) относительно образующегося молекулярного брома в конце стадии заряда (окисления Br–) – в отличие от традиционно применяемого частичного преобразования бромида в бром для повышения стабильности последнего в составе полибромидных комплексов. Заряд-разрядные испытания ячейки водородно-бромной проточной редокс-батареи были проведены в гальваностатическом режиме при трех плотностях тока: 25, 50 и 75 мА/см2. Сопоставление величин зарядов и средних напряжений на этапах генерации и запасания электроэнергии показывает, что наибольшая эффективность цикла достигается при плотности тока 50 мА/см2. Такая величина плотности заряд-разрядного тока отвечает и наиболее полному использованию редокс-емкости электролита. Установлено, что стабильность использованного катодного материала в контакте с соединениями брома в кислой среде значительно превосходит таковую для углеродной бумаги, а основной причиной падения емкости батареи от цикла к циклу является абсорбция молекулярного брома материалами, контактирующими с католитом: компонентами мембранно-электродного блока (МЭБ), трубопроводами и деталями насоса, обеспечивающего циркуляцию.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. В. Романова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kartashova9natali@gmail.com

Факультет фундаментальной физико-химической инженерии

Россия, Москва

Д. В. Конев

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН; Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: dkfrvzh@yandex.ru
Россия, Москва; Черноголовка

Д. С. Муратов

Туринский университет

Email: kartashova9natali@gmail.com
Италия, Турин

Е. А. Рубан

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН; Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: kartashova9natali@gmail.com
Россия, Москва; Черноголовка; Москва

Д. О. Толстель

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: kartashova9natali@gmail.com

Факультет фундаментальной физико-химической инженерии

Россия, Москва; Москва

М. З. Галин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: kartashova9natali@gmail.com
Россия, Черноголовка

В. В. Кузнецов

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: kartashova9natali@gmail.com

Moscow; Moscow

Россия, Москва; Москва

М. А. Воротынцев

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: mivo2010@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Kim, T., Song, W., Son, D., Ono, L.K., and Qi, Y., Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies, J. Мater. Chem. A., 2019, vol. 7, p. 2942.
  2. Fedoseeva, Yu.V., Shlyakhova, E.V., Stolyarova, S.G., Vorfolomeeva, A.A., Grebenkina, M.A., Мakarova, A.A., Shubin, Yu.V., Okotrub, A.V., and Bulusheva, L.G., Brominated Porous Nitrogen-Doped Carbon Мaterials for Sodium-Ion Storage, Batteries, 2022, vol. 8, p. 114.
  3. Gerasimova, E.V., Kleinikova, S.A., Talagaeva, N.V., Gor'kov, K.V., Levchenko, M.G., and Zolotukhina, E.V., New insight on the study of electrocatalytic oxidation of methanol on some Pt group metals: Important methodological aspects, Int. J. Hydrogen Energy, 2023, vol. 48(88), p. 34396.
  4. Kleinikova, S.A., Levchenko, M.G., Yalмaev, A.B., Talagaeva, N.V., Dremova, N.N., Gerasimova, E.V., and Zolotukhina, E.V., Some features of alcohols electrooxidation process on Pd. Rh and PdRh catalysts, Electrochim. Acta, 2022, vol. 409, p. 139998.
  5. Singh, M., Zappa, D., and Comini, E., Solid oxide fuel cell: Decade of progress. future perspectives and challenges, Int. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46(54), p. 27643.
  6. Weber, A.Z., Mench, M.M., Meyers, J.P., Ross, P.N., Gostick, J.T., and Liu, Q., Redox flow batteries: a review, J. Appl. Electrochem., 2011, vol. 41, p. 1137.
  7. Rugolo, J. and Aziz, M., Electricity storage for intermittent renewable sources, Energy Environ. Sci., 2012, vol. 5, p. 7151.
  8. Петров, М.М., Модестов, А.Д., Конев, Д.В., Антипов, А.Е., Локтионов, П.А., Пичугов, Р.Д., Карташова, Н.В., Глазков, А.Т., Абунаева, Л.З., Андреев, В.Н., Воротынцев, М.А. Проточные редокс-батареи: место в современной структуре электроэнергетики и сравнительные характеристики основных типов. Усп. химии. 2021. Т. 90. С. 835. [Petrov, M.M., Modestov, A.D., Konev, D.V., Antipov, A.E., Loktionov, P.A., Pichugov, R.D., Kartashova, N.V., Glazkov, A.T., Abunaeva, L.Z., Andreev V.N., and Vorotyntsev, M.A., Redox flow batteries: Role in modern electric power industry and comparative characteristics of the main types, Russ. Chem. Rev., 2021, vol. 90, p. 677.]
  9. Li, Z., Jiang, T., Ali, M., Wu, Ch., and Chen, W., Recent Progress in Organic Species for Redox Flow Batteries, Energy Stor. Мater., 2022, vol. 50, p. 105.
  10. Schlögl, R., Sustainable Energy Systems: The Strategic Role of Chemical Energy Conversion, Top. Catal., 2016, vol. 59, p. 772.
  11. Skyllas-Kazacos, M., Menictas, C., and Lim, T.M., Redox flow batteries for medium to large-scale energy storage, Electr. Transm. Distrib. Storage Syst. Woodhead Publishing Series in Energy, Cambrige, 2013, p. 398–441.
  12. Cho, K., Ridgway, P., Weber, A., Haussener, S., Battaglia, V., and Srinivasan, V., High Performance Hydrogen/Bromine Redox Flow Battery for Grid-Scale Energy Storage, J. Electrochem. Soc., 2012, vol. 159, p. A1806.
  13. Oh, K., Weber, A.Z., and Ju, H., Study of bromine species crossover in H2/Br2 redox flow batteries, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, p. 3753.
  14. Cho, K., Tucker, M., Ding, M., Ridgway, P., Battaglia, V., Srinivasan, V., and Weber, A., Cyclic Performance Analysis of Hydrogen/Bromine Flow Batteries for Grid-Scale Energy Storage, ChemPlusChem, 2015, vol. 80, p. 402.
  15. Antipov, A., Pichugov, R., Abunaeva, L., Tong, S., Petrov, M., Pustovalova, A., Speshilov, I., Kartashova, N., Loktionov, P., Modestov, A., and Glazkov, A., Halogen Hybrid Flow Batteries Advances for Stationary Chemical Power Sources Technologies, Energies, 2022, vol. 15, p. 7397.
  16. Mussini, T. and Longhi, P., The Halogens. Bromine, in: A.J. Bard, R. Parsons, J. Jordan (Eds.), Standard potentials in aqueous solutions, 1 ed., N.Y. Marcel Dekker Inc., 1985, p. 78.
  17. Tolmachev, Y.V., Hydrogen-Halogen Electrochemical Cells: A Review of Applications and Technologies, Russ. J. Electrochem., 2014, vol. 50, p. 301.
  18. Kelsall, G.H., Welham, N.J., and Diaz, M.A., Thermodynamics of Cl-H2O, Br-H2O, I-H2O, Au-Cl-H2O, Au-Br-H2O and Au-I-H2O systems at 298 K, J. Electroanal.. Chem., 1993, vol. 361, p. 13.
  19. Petrov, M. M., Konev, D. V., Kuznetsov, V. V., and Antipov, A. E., Electrochemically driven evolution of Br-containing aqueous solution composition, J. Electroanal. Chem., 2019, vol. 836, p. 125.
  20. Modestov, A.D., Konev, D.V., Antipov, A.E., and Vorotyntsev, M.A., Hydrogen-bromate flow battery: can one reach both high bromate utilization and specific power? J. Solid State Electrochem., 2019, vol. 23, p. 3075.
  21. Vorotyntsev, M.A., Antipov, А.Е., and Konev, D.V., Bromate anion reduction: novel autocatalytic (EC") mechanism of electrochemical processes. Its implication for redox flow batteries of high energy and power densities, Pure Appl. Chem., 2017, vol. 89, № 10, p. 1429.
  22. Modestov, A.D., Konev, D.V., Antipov, A.E., Petrov, M.M., Pichugov, R.D., and Vorotyntsev, M.A., Bromate electroreduction from sulfuric acid solution at rotating disk electrode: Experimental study, Electrochim. Acta, 2018, vol. 259, p. 655.
  23. Vorotyntsev, M.A. and Antipov, A.E., Bromate electroreduction from acidic solution at spherical microelectrode under steady-state conditions: theory for the redox-mediator autocatalytic (EC") mechanism, Electrochim. Acta, 2017, vol. 258, p. 544.
  24. Konev, D.V., Antipov, A.E., Petrov, M.M., Shamraeva, M.A., and Vorotyntsev, M.A., Surprising dependence of the current density of bromate electroreduction on the microelectrode radius as manifestation of the autocatalytic redox-cycle (EC″) reaction mechanism, Electrochem. Comm., 2018, vol. 86, p. 76.
  25. Modestov, A.D., Konev, D.V., Tripachev, O.V., Antipov, A.E., Tolмachev, Y.V., and Vorotynsev, M.A., A Hydrogen–Bromate Flow Battery for Air-Deficient Environments, Energy Technol., 2018, vol. 6, p. 242.
  26. Vorotyntsev, M.A., Konev, D.V., and Tolmachev, Yu.V., Electroreduction of halogen oxoanions via autocatalytic redox mediation by halide anions: novel EC” mechanism. Theory for stationary 1D regime, Electrochim. Acta, 2015, vol. 173, p. 779.
  27. Kartashova, N.V., Konev, D.V., Loktionov, P.A., Glazkov, A.T., Goncharova, O.A., Petrov, M.M., Antipov, A.E., and Vorotyntsev, M.A., A Hydrogen-Bromate Flow Battery as a Rechargeable Chemical Power Source, Membranes, 2022, vol. 12, p. 1228.
  28. Tolmachev, Y.V., Piatkivskyi, A., Ryzhov, V.V., Konev, D.V., and Vorotyntsev, M.A., Energy cycle based on a high specific energy aqueous flow battery and its potential use for fully electric vehicles and for direct solar-to-chemical energy conversion, J. Solid State Electrochem., 2015, vol. 19, no. 9, p. 2711.
  29. Petrov, M.M., Konev, D.V., Kuznetsov, V.V., Antipov, A.E., Glazkov, A.T., and Vorotyntsev, M.A., Electrochemically driven evolution of Br-containing aqueous solution composition, J. Electroanal. Chem., 2019, vol. 836, p. 125.
  30. Петров, М.М., Конев, Д.В., Антипов, А.E., Карташова, Н.В., Кузнецов, В.В., Воротынцев, М.А. Теоретический анализ изменения состава системы при окислительном электролизе раствора бромида: зависимость от рН. Электрохимия. 2020. Т. 56. C. 978. [Petrov, M.M., Konev, D.V., Antipov, A. E., Kartashova, N.V., Kuznetsov, V.V., and Vorotyntsev, M. A., Theoretical Analysis of Changes in the System’s Composition in the Course of Oxidative Electrolysis of Bromide Solution: pH Dependence, Russ. J. Electrochem., 2020, vol. 56, p. 883.]
  31. Konev, D.V., Zader, P.A., and Vorotyntsev, M.A., Evolution of the bromate electrolyte composition in the course of its electroreduction inside a membrane-electrode assembly with a proton-exchange membrane, Int. J. Mol. Sci., 2023, vol. 24, p. 15297.
  32. Cettou, P., Robertson, P., and Ibl, N., On the electrolysis of aqueous bromide solutions to bromate, Electrochim. Acta, 1984, vol. 29, p. 875.
  33. Grgur, B.N., Electrochemical Oxidation of Bromides on DSA/RuO2 Anode in the Semi-Industrial Batch Reactor for On-Site Water Disinfection, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, p. E50.
  34. Vacca, A., Мascia, M., Palmas, S., Мais, L., and Rizzardini, S., On the formation of bromate and chlorate ions during electrolysis with boron doped diamond anode for seawater treatment, J. Chem. Technol. Biotechnol., 2013, vol. 88(12), p. 2244.
  35. Jung, Y., Yoon, Y., Kwon, M., Roh, S., Hwang, T.-M., and Kang, J.-W., Evaluation of energy consumption for effective seawater electrolysis based on the electrodes and salinity, Desalination Water Treat., 2015, vol. 57(22), p. 10136.
  36. De Pauli, C.P. and Trasatti S., Electrochemical surface characterization of IrO2 + SnO2 mixed oxide electrocatalysts, J. Electroanal. Chem., 1995, vol. 396, p. 161.
  37. Xu, J., Liu, G., Li, J., and Wang X., The electrocatalytic properties of an IrO2/SnO2 catalyst using SnO2 as a support and an assisting reagent for the oxygen evolution reaction, Electrochim. Acta, 2012, vol. 59, p. 105.
  38. Shirley, D.A., High-Resolution X-Ray Photoemission Spectrum of the Valence Bands of Gold, Phys. Rev. B., 1972, vol. 5, p. 4709.
  39. Wojdyr, M., Fityk: A general-purpose peak fitting program, J. Appl. Cryst., 2010, vol. 43, p. 1126.
  40. Cui, M., Zhao, Y., Wang, C., and Song, Q., Synthesis of 2.5 nm colloidal iridium nanoparticles with strong surface enhanced Raman scattering activity, Microchim. Acta, 2016, vol. 183, p. 2047.
  41. Pfeifer, V., Jones, T.E., Velasco Vélez, J.J., Мassué, C., Arrigo, R., Teschner, D., Girgsdies, F., Scherzer, M., Greiner, M.T., Allan, J., Hashagen, M., Weinberg, G., Piccinin, S., Hävecker, M., Knop-Gericke, A., and Schlögl, R., The electronic structure of iridium and its oxides, Surf. Interface Anal., 2016, vol. 48, p. 261.
  42. Pfeifer, V., Jones, T.E., Velasco Vélez, J.J., Мassué, C., Greiner, M.T., Arrigo, R., Teschner, D., Girgsdies, F., Scherzer, M., Allan, J., Hashagen, M., Weinberg, G., Piccinin, S., Hävecker, M., Knop-Gericke, A., and Schlögl, R., The electronic structure of iridium oxide electrodes active in water splitting, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, vol. 18, p. 2292.
  43. Zhao, S., Yu, H., Мaric, R., Danilovic, N., Capuano, C.B., Ayers, K.E., and Mustain, W.E., Calculating the Electrochemically Active Surface Area of Iridium Oxide in Operating Proton Exchange Membrane Electrolyzers, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 162(12), p. F1292.
  44. Park, Y.J., Lee, J., Park, Y.S., Yang, J., Jang, M.J., Jeong, J., Choe, S., Lee, J.W., Kwon, J.D., and Choi, S.M., Electrodeposition of High-Surface-Area IrO2 Films on Ti Felt as an Efficient Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction, Front. Chem., 2020, vol. 8, p. 593272.
  45. Pavlovic, Z., Ranjan, C., Gao, Q., Gastel, M., and Schlögl, R., Probing the Structure of a Water-Oxidizing Anodic Iridium Oxide Catalyst using Raman Spectroscopy, ACS Catal., 2016, vol. 6, p. 8098.
  46. Rossella, F., Galinetto, P., Mozzati, M.C., Мalavasi, L., Diaz Fernandez, Y., Drera, G., and Sangaletti, L., TiO2 thin films for spintronics application: a Raмan study, J. Raмan Spectrosc., 2010, vol. 41, p. 558.
  47. Ji, Y.-G., Wei, K., Liu, T., Wu, L., and Zhang, W.-H., “Naked” Iridium (IV) Oxide Nanoparticles as Expedient and Robust Catalysts for Hydrogenation of Nitrogen Heterocycles: Remarkable Vicinal Substitution Effect and Recyclability, Adv. Synth. Catal., 2017, vol. 359, p. 933.
  48. Lu, Y.M., Jiang, J., Becker, M., Kramm, B., Chen, L., Polity, A., He, Y.B., Klar, P.J., and Meyer, B.K., Polycrystalline SnO2 films grown by chemical vapor deposition on quartz glass, Vacuum, 2015, vol. 122, p. 347.
  49. Foti, G., Mousty, C., Reid, V., and Comninellis, C., Characterization of DSA type electrodes prepared by rapid thermal decomposition of the metal precursor, Electrochim. Acta, 1998, vol. 44, p. 813.
  50. Kötz, R. and Stucki, S., Stabilization of RuO2 by IrO2 for anodic oxygen evolution in acid media, Electrochim. Acta, 1986, vol. 31, p. 1311.
  51. de Oliveira-Sousa, A., da Silva, M.A.S., Machado, S.A.S., Avaca, L.A., and de Lima-Neto, P., Influence of the preparation method on the morphological and electrochemical properties of Ti/IrO2-coated electrodes, Electrochim. Acta, 2000, vol. 45, p. 4467.
  52. Cho, K.T., Tucker, M.C., and Weber, A.Z., A Review of Hydrogen/Halogen Flow Cells, Energy Technol., 2016, vol. 4, p. 655.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Конструкция ячейки H2–Br2 батареи: 1 – металлические концевые пластины с компрессионными фитингами; 2 – уплотнительные прокладки; 3 – токосъемная пластина из титановой фольги; 4 – биполярная пластина из графлекса с уплотняющими кольцами; 5 – проточные поля типа “серпантин”; 6а – электроды из углеродной бумаги Sigracet 39 AA; 6б – углеродная бумага Freudenberg H23C8 (загрузка Pt/C 1 мг/см2); 7 – катион-проводящая мембрана; 8 – IrO2 /TiO2 /Ti-электрод; 9 – титановый токосъемник.

Скачать (234KB)
Метаданные
3. Рис. 2. СЭМ-картирование IrO2/TiO2/Ti-электрода: (а) CЭМ-изображение электродного материала, (б) распределение Ti по поверхности материала, (в) распределение O по поверхности материала, (г) распределение Ir по поверхности материала, (д) распределение Sn по поверхности материала.

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. РФЭС-спектры высокого разрешения: Ir 4 f (а) Sn 3d (б), O 1s (в), Ti 2p (г) электронных уровней IrO2 /TiO2 /Ti-электрода.

Скачать (906KB)
Метаданные
5. Рис. 4. КР-спектр IrO2/TiO2/Ti-электрода, используемого в H2–Br2 источнике тока.

Скачать (337KB)
Метаданные
6. Рис. 5. ЦВА ячейки с различными материалами катода при пропускании через него фонового раствора 3 M H2SO4: 1 – IrO2/TiO2/Ti-электрод, 2 – углеродная бумага Sigraset 39AA. Скорость развертки потенциала – 20 мВ/с, 3-й цикл, подача водорода на анод – 0.5 л/ч.

Скачать (202KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Заряд-разрядные кривые H2–Br2 ПРБ, диапазон напряжений 0.4–1.4 В (а); зависимости отношения (для стадий разряда и заряда) зарядов (б), отношения средних напряжений (в) и энергоэффективностей (г) от номера заряд-разрядного цикла при различных плотностях тока.

Скачать (618KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость коэффициентов использования редокс-емкости и энергии от номера цикла (а) и коэффициента использования редокс-емкости от времени циклирования (б) для плотностей тока 25, 50 и 75 мА/см2.

Скачать (375KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024