Enhancing The Performance of The Vanadium Redox Flow Batteries through The Surface Modification of Graphite Felt Electrode. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Iqbal Azka Al Hamid [MSE Dept] - MS Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 10 May 2027. Download (23MB)

Arabic Abstract

تُعد بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال للفاناديوم (VRFBs) من التقنيات الواعدة لتخزين الطاقة على نطاق واسع، إلا أن أداءها لا يزال محدودًا بسبب بطء حركية انتقال الإلكترونات عند أقطاب ألياف الجرافيت (GF). تستكشف هذه الدراسة استراتيجيتين لهندسة السطح لمعالجة هذه المشكلة: (1) التعديل الفيزيائي باستخدام معالجة الليزر بثاني أكسيد الكربون (CO₂)، و(2) التعديل الكيميائي باستخدام ثاني أكسيد الموليبدينوم (MoO₂) عبر عملية حرارية مائية في الموقع. تُسهم معالجة الليزر بثاني أكسيد الكربون في زيادة المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين على السطح، إلى جانب تحسين ترتيب الكربون الجرافيتي (sp²). وتؤدي هذه التأثيرات إلى تعزيز قابلية البلل وتحسين انتقال الإلكترونات، مما يقلل من مقاومة انتقال الشحنة ويعزز النشاط الكهروكيميائي. وقد حقق القطب المعالج بالليزر كفاءة طاقة قصوى تقارب 95% عند كثافة تيار 25 ملي أمبير/سم²، مع استقرار تشغيلي خلال أكثر من 190 دورة. من ناحية أخرى، يؤدي التعديل باستخدام MoO₂ إلى إدخال مواقع نشطة محفزة قائمة على الموليبدينوم، إضافةً إلى تحسين خاصية المحبة للماء، مما يعزز حركية تفاعلات الأكسدة والاختزال لكلٍ من زوجي VO₂⁺/VO²⁺ وV³⁺/V²⁺. وقد أظهر هذا القطب كفاءة طاقة تقارب 70% عند كثافات تيار عالية، وأكثر من 90% عند كثافات تيار منخفضة، مع استقرار ممتاز أثناء التشغيل الدوري. تُظهر كلتا استراتيجيتي التعديل تحسنًا ملحوظًا في أداء بطاريات VRFB، حيث يوفر تعديل الليزر بثاني أكسيد الكربون كفاءة طاقة أعلى وبساطة أكبر في المعالجة، بينما يوفر محفز MoO₂ سعة محسّنة ونشاطًا تحفيزيًا أعلى. تسلط هذه الدراسة الضوء على فعالية هندسة السطح وتقدم رؤى مهمة لتطوير أنظمة بطاريات VRFB عالية الأداء وطويلة العمر

English Abstract

Vanadium redox flow batteries (VRFBs) are promising for large-scale energy storage, but their performance is limited by sluggish electron transfer kinetics at GF electrodes. This study explores two surface engineering strategies to address this issue: (i) physical modification using Carbon dioxide (CO2) laser treatment and (ii) chemical modification using molybdenum dioxide (MoO2) via an in situ hydrothermal process. The CO2 laser treatment simultaneously increases surface oxygen functional groups and improves graphitic sp2 ordering. These effects enhance wettability and electron transfer, thereby reducing charge-transfer resistance and improving redox activity. The laser-treated electrode achieves a peak energy efficiency (EE) of ~95% at 25 mA·cm-2, with stable cycling over 190 cycles. Meanwhile, MoO2 modification introduces Mo active catalytic sites and enhances hydrophilicity, thereby improving redox kinetics for both VO2+/VO2+ and V3+/V2+ couples. The electrode delivers EE of ~70% at high current densities and >90% at low current densities, with excellent cycling stability. Both modification strategies demonstrate significant improvements in VRFB performance, with the CO2 laser treatment providing superior energy efficiency and process simplicity. While the MoO2 catalyst offers enhanced capacity and catalytic activity. This study highlights the effectiveness of surface engineering and provides valuable insights for the development of high-performance and durable VRFB systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Research > Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Atif Alzahrani,
Thesis Committee Members:	Mohamad Qamar, Muhammad Ihsan Ul Haq,
Depositing User:	IQBAL AL HAMID (g202390350)
Date Deposited:	12 May 2026 11:14
Last Modified:	12 May 2026 11:14
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144184