本发明属于电池材料及能源存储，具体涉及一种n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料在紫精基水系有机液流电池中的应用。
背景技术：
1、为了应对可再生能源的间歇性特性，电化学储能系统受到了广泛的关注。在众多电化学储能技术中，氧化还原液流电池(rfbs)具有将能量容量与额定功率解耦的特殊优势，更适合大规模应用。此外，其长循环寿命、高灵活性和高安全性也是其令人钦佩的优点。全钒氧化还原液流电池(vrfbs)是目前最先进的rfbs之一，它利用不同价态钒离子的电化学氧化还原反应来实现能量转换，有效地消除了正负侧电活性离子之间的交叉污染。然而，相对较低的能量密度和功率密度阻碍了vrfbs的商业化发展。近年来，以水溶性有机电活性物质作为活性电解质的水系有机液流电池(aorfbs)受到越来越多的关注。有机电解质材料具有分子结构多样、氧化还原电位可调、成本低、来源广泛等固有优势，使得aorfbs成为未来液流电池发展的重要方向。此外，紫精基液流电池是一种有机液流电池，它使用紫精(viologen)类化合物作为电极活性物质。紫精是一种具有双正电荷的分子，它能够在氧化和还原状态之间进行可逆转换，因此适合作为液流电池的活性物质。紫精基液流电池由于有机电解质的特性，可以实现较高的功率密度和可调制性。目前，紫精基液流电池在电化学储能领域中得到了广泛的研究和应用，并展现出了潜在的应用前景。
2、与普通电极材料的作用不同，液流电池的电极材料作为电化学反应的场所，不仅为电解质传递提供了通道，还为其电化学氧化还原反应提供了活性位点。目前，碳纤维基多孔材料具有很强的耐酸性、优良的导电性和成本低等优点，主要包括碳纸、石墨毡和碳毡，成为液流电池中应用最广泛的一类电极材料。然而，此类材料本身的电化学反应活性较差，需要对此进行有效的改性，才能获取更好的电池性能。由此可见，开发成本低、稳定性高、表面微结构改善的高性能碳基电极具有重要的现实意义，大量文献已经报道了改善碳基电极电化学性能的各种表面修饰方法。目前电极材料的表面改性方法主要有表面刻蚀、催化剂修饰和杂原子掺杂。其中，杂原子掺杂，特别是o和n共掺杂，已被公认可以更有效地促进钒离子的氧化还原动力学，而不需要更多的贵金属催化剂。
3、不同的电化学反应对电极材料表面特性的要求是具有很大不同的。因此，针对特定电化学反应体系，设计具有特定表面组成和结构的电极材料是提升相应电池性能的根本途径。其中，通过适当的表面改性处理，可以实现对电极材料的反应活性、反应面积以及电子电导率等的综合调控，得到具有与相应电池体系最优匹配的电极材料。然而，目前针对有机液流电池电极材料的研究较少，且由于有机活性分子的电极反应动力学与研究较多的无机金属离子的电极反应动力学存在显著差异，前期研究成果对有机电池体系中的电化学反应性能未必具有优势。因此，有必要基于特定的有机电活性分子的电化学反应特点来设计更合适的电极材料，以进一步提升aorfbs性能并促进其产业化发展。
技术实现思路
1、为了解决上述关键问题，本发明采用简单的物理浸渍和热处理工艺制备了一种n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料，其对于紫精衍生物显示出十分优异的电化学活性，能够有效提升紫精基水系有机液流电池的性能。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料在紫精基水系有机液流电池中的应用，将所述的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料作为负极材料应用于紫精基水系有机液流电池。
4、进一步的，上述的应用，所述紫精基水系有机液流电池，阳极电解液中的支持电解质为氯化钾或氯化钠，浓度为0.5m～2m；阳极电解液中的活性电解质为水溶性紫精衍生物，浓度为0.05m～1m。
5、进一步的，上述的应用，所述n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料的制备方法包括如下步骤：
6、1)将石墨毡gf浸泡在乙醇中，在超声波浴中清洗10分钟，去除表面杂质，将清洗后的gf放入真空干燥箱，在60℃～80℃下烘干，得到预处理后的gf电极；
7、2)将预处理后的gf电极浸泡在含碳氮源的前驱体水溶液中，超声半小时，取出完全浸润的gf，在60℃～80℃真空干燥；
8、3)将干燥后的电极进行高温热处理，冷却后用乙醇和水的混合溶液进行洗涤，在60℃～80℃下真空干燥，即得到n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料n-o@gf。
9、进一步的，上述的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料的制备方法，步骤1)中，所述石墨毡中碳纤维的直径为2μm～15μm，孔隙率为60～90％，表观密度为0.1～0.2g/cm3，电阻率为1～5ω·mm。
10、进一步的，上述的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料的制备方法，步骤2)中，所述的含碳氮源的前驱体为尿素、聚吡咯或多巴胺衍生物，其在水溶液中的浓度为1wt％～10wt％。
11、优选的，上述的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料的制备方法，步骤2)中，所述的含碳氮源的前驱体为尿素。
12、进一步的，上述的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料的制备方法，步骤3)中，所述高温热处理条件为：在氮气或氩气气氛下，900℃下煅烧1h～5h，升温速率为2～5℃/min。
13、进一步的，上述的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料的制备方法，步骤3)中，所述乙醇和水的混合溶液，乙醇和水的体积比为1：1。
14、本发明的有益效果是：
15、1、本发明以商业化石墨毡为基础原料，通过简单的物理浸渍和热处理工艺即可制备新型的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料，方法简单高效、成本低，可适用于大规模生产。
16、2、本发明制备的n-o@gf电极材料兼具有优异的亲水性以及电化学活性，对紫精衍生物显示出优异的电化学反应性能。
17、3、以n-o@gf为负极电极材料的紫精基水系有机液流电池相比以空白石墨毡为负极电极材料的电池显示出更低的过电位和更高的电池效率。
18、4、由于采用了较高活性的电极材料，使得还原态紫精的电化学氧化反应速率增大，相应地，其被水中溶解氧的化学氧化作用被削弱，使其相应电池具有更优的容量保持率以及循环稳定性。
1.一种n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料在紫精基水系有机液流电池中的应用，其特征在于，将所述的n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料作为负极材料应用于紫精基水系有机液流电池。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述紫精基水系有机液流电池，阳极电解液中的支持电解质为氯化钾或氯化钠，浓度为0.5m～2m；阳极电解液中的活性电解质为水溶性紫精衍生物，浓度为0.05m～1m。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述n、o共掺杂的石墨毡纤维电极材料的制备方法包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，步骤1)中，所述石墨毡中碳纤维的直径为2μm～15μm，孔隙率为60～90％，表观密度为0.1～0.2g/cm3，电阻率为1～5ω·mm。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，步骤2)中，所述的含碳氮源的前驱体为尿素、聚吡咯或多巴胺衍生物，其在水溶液中的浓度为1wt％～10wt％。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，步骤2)中，所述的含碳氮源的前驱体为尿素。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，步骤3)中，所述高温热处理条件为：在氮气或氩气气氛下，900℃下煅烧1h～5h，升温速率为2～5℃/min。
8.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，步骤3)中，所述乙醇和水的混合溶液，乙醇和水的体积比为1：1。
