【摘要】 X 射线光电子能谱 (XPS) 是一种强大的表面分析工具，因其能够识别、量化和成像氧化还原活性物质的化学分布而被广泛用于研究这些储能材料。

技术发展需要可靠的电源，其中储能设备正在成为关键组件。正在开发各种储能设备、氧化还原液流电池 (RFB)、锂离子电池 (LIB) 和锂硫 (LSB) 电池，用于从电网级存储到移动电子产品的各种应用。与这些具有独特电化学的储能装置相关的材料复杂性是该领域变革性进展需要解决的巨大挑战。 X 射线光电子能谱 (XPS) 是一种强大的表面分析工具，因其能够识别、量化和成像氧化还原活性物质的化学分布而被广泛用于研究这些储能材料。然而，访问深埋的固体电解质界面（决定能量存储设备的性能）一直是 XPS 使用中的一个挑战。在此，我们报告了我们最近的努力，利用 XPS 在涉及 RFB、LIB 和 LSB 的不同电化学的实际条件下深入了解这些界面。

 

Fig. 1. Schematic diagram of the Vanadium Redox flow battery and the reaction equation during the battery operation[1]

 

需要不间断电源的制造业迫切需要大型固定电池。由于其更高的存储容量、能源效率和生命周期，RFB 正在成为固定电网级储能的重要候选者]。通过与混合风能和太阳能系统相结合，这些电池还可用于构建可靠、可再生和不间断的电源。典型RFB的示意图如图1所示[8]。 RFB 可以将数兆瓦时 (MWh) 的电能转换并存储为化学能，反之亦然。典型的 RFB 电池由两个电极和两个由离子交换膜分隔的循环（正极电解质和负极电解质）电解质溶液组成。当液体电解质流过电池时，能量转换立即在电极表面发生。有多种 RFB 可供选择，但硫酸钒氧化还原液流电池 (VRFB) 系统因其优异的电化学活性和可逆性而受到关注 。硫酸钒RFB系统在阴极侧利用VO2+(V5+)/VO2+(V4+)，在阳极侧利用V3+/V2+，通过图1所示的反应产生1.25V的标准电压。

 

Fig. 2. (a) Schematic diagram of the Nafion Channels, (b) O 1 s and C 1 s X-ray photoelectron spectra from the as-received Nafion membrane as a function of vacuumevacuation time of 15 min, 50 min, 120 min, and 420 mi. [2]

 

Nafion®膜具有两相结构，其大分子结构中疏水性和亲水性区域共存[3]，如图2(a)所示。图 2(b) 显示了不同时间段抽真空的 Nafion 获得的典型 XPS 氧 1 s 和碳 1 s 光谱。宽 C 1 s 区域（300 至 280 eV）可以拟合以以下结合能 285.2(eCH)、287.0(eCO)、289.9 (eCS)、292.2 (eCF2) 和 293.9 (eCF3) 为中心的五个分量峰。如 Huang 等人[4]所示，主要的三个峰 –CS、CF2 和 –CF3 是 Nafion 中预期的键合环境。然而，在低结合能下观察到的峰（-CH 和 -CO 峰）代表通常被困在 Nafion 孔中的 CO2 和 CO 等气体。 O 1 s 光谱显示两个不同的峰，一个以 533.1 eV 为中心，可归因于磺酸阴离子基团 (-OS) 和水分子 -OH)，另一个以 535.6 eV 为中心，代表 C-O 键作为亲水结构（-OC）。类似地，Nafion 中的其他化学元素（例如 F 1 s 和 S 2p）记录了分别代表氟化碳和磺酸阴离子基团的单峰。随着真空暴露时间的延长，C 1 s 区域中的 eCH 峰和 O 1 s 区域中的磺酸氧和水峰（-OS/-OH 峰）的强度大幅增加。随着真空暴露时间的增加，纳米孔内的水分子从本体移动到膜表面。在 Nafion 膜上进行的重复真空暴露实验表明，420 分钟的 UHV 暴露时间给出了饱和且可重复的结果，因此在将样品保持在真空中至少 420 分钟后进行了进一步的研究。

 

[1]aithiyalingam Shutthanandan, Manjula Nandasiri, Jianming Zheng, Mark H. Engelhard, Wu Xu, Suntharampillai Thevuthasan, Vijayakumar Murugesan,Applications of XPS in the characterization of Battery materials,Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena,Volume 231,2019,Pages 2-10,ISSN 0368-2048,

[2] M. Vijayakumar, M.S. Bhuvaneswari, P. Nachimuthu, B. Schwenzer, S. Kim, Z.Yang, J. Hu, Spectroscopic investigations of the fouling process on nafion membranes in vanadium redox flow batteries, J. Membr. Sci. 366 (1-2) (2011) 325–334.

[3] M. Vijayakumar, Q. Luo, R. Lloyd, Z. Nie, X. Wei, B. Li, V. Sprenkle, J.-David Londono, M. Unlu, W. Wang, ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (50) (2016) 34327–34334.

[4] C. Huang, K. Seng Tan, J. Lin, K. Lee Tan, XRD and XPS analysis of the degradation of the polymer electrolyte in H2-O2 fuel cell, Chem. Phys. Lett. 371 (2003) 80–85

 

科学指南针已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证，提供材料测试、高端测试、环境检测、生物服务、模拟计算、科研绘图、数据分析、试剂耗材、行业解决方案、指南针学院等多项科研产品和服务矩阵。企业致力于为高校、科研院所、医院、研发型企业等科研工作者，提供专业、快捷、全方位的检测及科研服务。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。