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📄 本實驗室論文

Engineering high-entropy oxide on reduced graphene oxide as a highly stable and efficient electrocatalyst for vanadium redox flow batteries

以還原氧化石墨烯負載高熵氧化物作為高度穩定且高效的釩氧化還原液流電池觸媒

Journal of Energy Storage, 141 (2026) 119119 (Elsevier) | DOI: 10.1016/j.est.2025.119119
作者:Aknachew Mebreku Demeku, Daniel Manaye Kabtamu, Anteneh Wodaje Bayeh, Krishnakant Tiwari, Zih-Jhong Huang, Ning-Yih Hsu, Hung-Hsien Ku, Sun-Tang Chang, Ying-Rui Lu, Chen-Hao Wang*

📄 英文摘要

Efficient catalysts are essential for vanadium redox flow batteries (VRFBs), a key technology for large-scale energy storage. We report a high-entropy oxide of (CeMoBiWZrLa)O₂ supported by reduced graphene oxide ((CeMoBiWZrLa)O₂/rGO) as a composite catalyst for enhanced VRFB performance. The composite, synthesized via a hydrothermal reduction process, consists of dispersed HEO nanoparticles anchored on rGO sheets, which enhances electrolyte wettability and improves performance by enabling faster kinetics and more efficient ion transport. Moreover, the high configurational entropy, abundant oxygen vacancies, and inherent mechanical stability of HEO synergistically facilitate ion desorption, ensuring long-term durability. In-situ Raman spectroscopy reveals M–OH and C–OH₂⁺ intermediates, confirming accelerated redox kinetics in acidic electrolytes. The HEO/rGO-modified HGF electrode achieves energy efficiencies of 85.75% and 80.22% at 80 and 120 mA cm⁻² (improvements of 7.44% and 13.36%, respectively), with excellent stability over 300 cycles.

📄 中文摘要

高效觸媒對於作為大規模儲能關鍵技術的釩氧化還原液流電池(VRFBs)至關重要。本研究報告一種高熵氧化物 (CeMoBiWZrLa)O₂ 負載於還原氧化石墨烯上的複合觸媒((CeMoBiWZrLa)O₂/rGO),用於提升 VRFB 性能。此複合材料透過水熱還原法合成,由錨定於 rGO 片上的分散 HEO 奈米粒子組成,增強了電解質浸潤性,並透過更快的動力學與更有效的離子傳輸提升性能。此外,HEO 的高組態熵、豐富氧空位與固有機械穩定性協同促進離子脫附,確保長期耐久性。In-situ Raman 光譜揭示了 M–OH 與 C–OH₂⁺ 中間產物,確認了在酸性電解質中加速的氧化還原動力學。HEO/rGO 改質的 HGF electrode 在 80 與 120 mA cm⁻² 下分別達到了 85.75% 與 80.22% 的能量效率(分別提升 7.44% 與 13.36%),並在 300 次循環中展現出色的穩定性。

🔬 五項核心重要發現

1
85.75% EE @ 80 mA cm⁻²:較未改質 HGF 提升 7.44%,展現高熵氧化物在 VRFB 正極的優異催化效能。
2
80.22% EE @ 120 mA cm⁻²:提升幅度達 13.36%,在較高電流密度下依然維持高效能。
3
300 次循環穩定:展現優異的長期耐久性,驗證 HEO/rGO 複合材料於實際 VRFB 操作條件下的可靠性。
4
In-situ Raman 證據:M–OH 與 C–OH₂⁺ 中間產物確認酸性電解質中加速的氧化還原動力學,提供反應機制的直接證據。
5
高組態熵 + 氧空位 + 機械穩定性:三重優勢協同促進離子脫附,確保長期穩定性與出色的循環表現。

📊 關鍵圖表

關鍵圖 1:原始 rGO 泡沫與 HEO 奈米顆粒負載 rGO 之 FE-SEM 影像比較,觀察微觀結構差異。
關鍵圖 2:HEO/rGO 複合材料之 EDS 元素分佈圖,確認高熵氧化物奈米顆粒在石墨烯骨架上的空間分佈。