掺杂型石墨烯量子点的可控制备及其在全钒液流电池中的应用

All-vanadium redox flow batteries (VRBs) are novel devices for electrochemical energy storage with high power density, long durability and capability of high current charge/discharge. The main components of VRBs are electrode, ion-exchange mebrane and elecrolyte. The usual electrode materials for VRBs are carbon fiber-based graphite felt. However, graphite felt has the disadvantages of low surface area and poor activity. This proposal aims to design graphite felt supported porous graphene quantum dots with high surface area and more active sites to improve the activity of the electrode materials. In addition, the controllable functionalization and heteroatom doping could improve the activity furthermore. The role of heteroatoms in the doped graphene quantum dots for the redox reaction of vanadium ions will be systematicaly investigated. On the other hand, the most commonly used ion-exchange membrane is commercial Nafion membrane, but vanadium ions could permeate through the Nafion membrane, which results in poor battery performance. This proposal will use sulfanated graphene quantum dots to modify the Nafion membrane to reduce the ions permeatation and enhance the proton conductivity as well. Based on the design of electrode materials and modification of ion-exchange membrane, the peformance in terms of battery capacity, efficiency and durability will be significantly enhanced.

全钒液流电池（VRBs）是一种新型的清洁能源存储装置，具有功率大、寿命长和支持大电流充放电等优势。VRBs的核心组成元件包括电极、离子交换膜和电解液。常规的VRBs所使用的电极材料是由碳纤维构成的石墨毡，但石墨毡具有比表面积小、电催化活性低的弱点；针对该问题，本项目将设计石墨毡负载的多孔石墨烯量子点电极，使其具有较高的比表面积，增大其活性位点；同时通过对石墨烯量子点的可控功能化与掺杂可进一步提高其催化性能。本项目将系统研究杂原子掺杂对其催化活性的影响机制。另一方面，目前常用的VRBs用离子交换膜是商业化的Nafion膜，但Nafion膜具有较高的钒离子渗透性，极大地影响了电池的性能，本项目将制备磺化石墨烯量子点对Nafion膜进行改性，降低其钒离子渗透性的同时，增强其质子电导率。通过对电极材料和离子交换膜的材料设计，提高VRBs的整体性能，包括电池容量、电池效率和循环寿命。

作为石墨烯家族的重要一员，石墨烯量子点（GQDs）除了具有石墨烯的优异性能，还因量子效应和边界效应而展现出一系列新的特性，因此吸引了各个领域科学家的广泛关注。石墨烯量子点的制备主要包括自上而下和自下而上两种方法，前者主要包括水热法、电化学法和化学剥离碳纤维法, 后者则主要包括溶液化学法等。利用自上而下的方法制得的石墨烯量子点多含有含氧官能团，这为其随后的功能化提供了更大的可能性。因其独特的物理化学特性，石墨烯量子点在诸多领域如太阳能光电器件、生物医药和传感器等方面有着诱人的应用前景。然而，因其导电性差，在电化学领域中的研究报道较少。本项目利用等离子体技术对电极材料，石墨毡，进行表面处理，成功制备多孔碳材料，并对其进行杂原子掺杂，分别用作全钒液流电池的电极材料，显示出了优异的电池性能。此外，本课题利用等离子体技术对质子交换膜进行改性，提高了质子电导率，获得了优异的电池性能。基于对电极材料和膜的优化，整体上提高全钒液流电池的性能。