Summary
Detta protokoll introducerar design och utvärdering av innovativa tredimensionella elektroder för väteperoxidbränsleceller, med användning av Au-elektropläterad kolfiberduk och Ni-skumelektroder. Forskningsresultaten belyser väteperoxidens potential som en lovande kandidat för hållbar energiteknik.
Abstract
I en djupgående undersökning av membranlösa väteperoxidbaserade bränsleceller (H 2 O 2 FCs) visas väteperoxid (H 2 O 2 ), en kolneutral förening, genomgå elektrokemisk nedbrytning för att producera H 2 O, O 2och elektrisk energi. De unika redoxegenskaperna hosH2O2positionerar den som en livskraftig kandidat för hållbara energitillämpningar. Den föreslagna membranlösa designen tar itu med begränsningarna hos konventionella bränsleceller, inklusive tillverkningskomplexitet och designutmaningar. En ny tredimensionell elektrod, syntetiserad via galvaniseringstekniker, introduceras. Tillverkad av Au-elektropläterad kolfiberduk i kombination med Ni-skum, visar denna elektrod förbättrad elektrokemisk reaktionskinetik, vilket leder till en ökad effekttäthet för H 2 O2FC. Bränslecellernas prestanda är intrikat kopplad till elektrolytlösningens pH-nivåer. Utöver FC-tillämpningar har sådana elektroder potential i portabla energisystem och som katalysatorer med hög ytarea. Denna studie betonar betydelsen av elektrodteknik för att optimera potentialen hos H 2 O2som en miljövänlig energikälla.
Introduction
En bränslecell är en elektrokemisk anordning som använder bränsle och oxidationsmedel för att omvandla kemikalier till elektrisk energi. FC har högre energiomvandlingseffektivitet än traditionella förbränningsmotorer eftersom de inte är bundna av Carnot Cycle1. Genom att använda bränslen som väte (H 2)2, borhydridväte (NaBH 4)3 och ammoniak (NH 3)4 har FC blivit en lovande energikälla som är miljören och kan uppnå hög prestanda, vilket ger betydande potential att minska människans beroende av fossila bränslen. FC-tekniken står dock inför specifika utmaningar. Ett vanligt problem är den interna rollen för ett protonutbytesmembran (PEM) i FC-systemet, som fungerar som ett skydd mot interna kortslutningar. Integrationen av ett elektrolytiskt membran bidrar till ökade tillverkningskostnader, internt kretsmotstånd och arkitektonisk komplexitet5. Att omvandla FC:er med ett fack till matriser med flera staplar medför dessutom ytterligare komplikationer på grund av den intrikata processen att integrera flödeskanaler, elektroder och plattor för att förbättra effekt- och strömutgångar5.
Under de senaste decennierna har samordnade ansträngningar gjorts för att ta itu med dessa membranrelaterade utmaningar och effektivisera FC-systemet. Framför allt har framväxten av membranlösa FC-konfigurationer med laminära samflöden vid låga Reynoldtal erbjudit en innovativ lösning. I sådana uppställningar fungerar gränssnittet mellan två flöden som ett "virtuellt" protonledande membran6. Laminär flödesbaserad FC (LFFC) har studerats i stor utsträckning och utnyttjar fördelarna med mikrofluidik 7,8,9,10. LFFC:er kräver dock stränga förhållanden, inklusive hög energitillförsel för pumpning av laminära bränslen/oxidanter, minskning av reaktantkorsning i fluidiska strömmar och optimering av hydrodynamiska parametrar.
Nyligen har H 2 O 2 väckt intresse som ett potentiellt bränsle och oxidationsmedel på grund av dess koldioxidneutrala natur, som ger vatten (H 2 O) och syre(O 2) under elektrooxidations- och elektroreduktionsprocesser vid elektroder11,12. H2O2kan massproduceras med hjälp av en tvåelektronreduktionsprocess eller genom en tvåelektronoxidationsprocess från vatten12. Till skillnad från andra gasformiga bränslen kan flytande H 2 O2-bränsle integreras i befintligbensininfrastruktur 5. Dessutom gör H 2 O2 disproportioneringsreaktionen det möjligt att tjäna H 2 O 2som både bränsle och oxidationsmedel. Figur 1A visar en schematisk struktur av en enkel H 2 O2FC:s arkitektur. I jämförelse med traditionella FC 2,3,4 utnyttjar H 2 O 2FC fördelarna med enhetens "enkelhet". Yamasaki et al. demonstrerade membranlösaH2O2FCs, som spelar rollen som både bränsle och oxidationsmedel. Den beskrivna mekanismen för elektrisk energiproduktion har inspirerat forskarsamhällen att fortsätta denna forskningsinriktning6. Därefter har elektrooxidations- och elektroreduktionsmekanismer medH2O2som bränsle och oxidationsmedel representerats av följande reaktioner13,14
I det sura mediet:
Anod: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 V vs. HON
Katod: H 2 O 2 + 2H+ + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V jämfört med HON
Totalt: 2 h 2 o 2 → 2 h 2 o + o2
I de grundläggande medierna:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Anod: HO 2- + OH- → O 2 + H2 O + 2e-; Eb1 = 0,15 V jämfört med HON
Katod: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V jämfört med HON
Totalt: 2 h 2 o 2 → 2 h 2 o + o2
Figur 1B illustrerar arbetsprincipen för H 2 O 2 FCs. H 2 O 2donerar elektroner vid anoden och accepterar elektroner vid katoden. Elektronöverföring mellan anod och katod sker genom en extern krets, vilket resulterar i generering av elektricitet. Den teoretiska öppna kretspotentialen (OCP) för H 2O2 FC är 1,09 V i sura medier och 0,62 V i basiska medier13. Många experimentella resultat har dock visat lägre värden, upp till 0,75 V i sura medier och 0,35 V i basiska medier, jämfört med den teoretiska OCP. Denna observation kan hänföras till närvaron av en blandad potential13. Dessutom kan effekt- och strömutgången för H 2 O 2 FC inte konkurrera med de nämnda FC 2,3,4 på grund av elektrodernas begränsade katalytiska selektivitet. Det är dock anmärkningsvärt att den nuvarande H 2 O2FC-tekniken kan överträffa H2, NaBH4 och NH3 FC när det gäller den totala kostnaden, vilket visas i tabell 1. Således är den förbättrade katalytiska selektiviteten hos elektroder för H2O2-elektrooxidation och elektroreduktion fortfarande en betydande utmaning för dessa enheter.
I denna studie introducerar vi en tredimensionell elektrod med porös struktur för att förbättra interaktionen mellan elektroden och H2O2-bränslet, i syfte att öka reaktionshastigheten och förbättra effekt och strömutgång. Vi undersöker också effekten av lösningens pH och H 2 O2koncentration på FC:s prestanda. Elektrodparet som användes i denna studie består av en guldpläterad kolfiberduk och nickelskum. Strukturell karakterisering utförs med hjälp av röntgendiffraktion (XRD) och svepelektronmikroskopi (SEM), med öppen kretspotential (OCP), polarisation och effektutgångskurvor som de primära parametrarna för FC-testning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Förbehandling av material
OBS: Ni-skum (kommersiellt tillgängligt, se materialförteckning) med 25 mm x 25 mm x 1.5 mm används för H 2 O2 FC:s anod.
- Sänk ner Ni-skumprovet i alkohol och avjoniserat (DI) vatten, sonikerat i tre gånger, 5 min i lösningsmedel och vatten. Placera sedan Ni-skummet på ett rent glasunderlag.
- Använd kolfiberduken (se materialtabell) som katodsubstrat. Klipp kolduken i 25 mm x 25 mm fyrkantiga bitar med en sax.
- Sänk ner koldukprovet i aceton, 75 % alkohol, DI-vatten och ultraljudsbehandling tre gånger i 5 minuter. Spola sedan kolduken med DI-vatten för att ta bort rester av alkohol. Placera kolduken på ett glasunderlag.
OBS: Baserat på de diskuterade forskningsresultaten15,16 har Au som katod och Ni som anod valts som katalysatorer för H 2 O 2 FCs. Metaller som Pt, Pd, Ni, Au, och Ag har specifik katalytisk selektivitet mot H 2 O2 oxidations- eller reduktionsreaktion, vilket gör dem lämpliga elektrodmaterial. Den Au@carbon fiberelektroden erbjuder en kombination av elektrokatalytisk aktivitet, stabilitet och förbättrad konduktivitet, vilket gör den till ett lämpligt val för membranlösa väteperoxidbränsleceller.
2. Elektroplätering av Au på en kolduk
- Förbered reagenser för elektroplätering enligt följande: kloraursyra (HAuCl4), kaliumklorid (KCl), saltsyra (HCl) och DI-vatten (se materialförteckning).
- Bered 80 ml lösningar (baserat på bägarens volym) i en ren bägare med 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl och 0,01 M HCl. Försegla öppningen och rör om lösningen i 15 min.
- Förbered galvaniseringsmaterialet, kolduken och pläteringslösningen. Elektropläteringsprocessen drivs av Electrochemical Station (ES) (se materialtabell).
OBS: Tre elektrodmetoder väljs här för plätering: kolduk som arbetselektrod (WE), grafitstav som motelektrod (CE) och Ag/AgCl (mättad 1 M KCl-lösning) som referenselektrod (RE). - Se till att varje elektrod klämmer fast rätt föremål. Sänk ner elektroderna i pläteringslösningen.
- Starta ES. Ställ in programmet på kronoamperometrimetoden, som visas i figur 1C. Se till att en enda avsättningscirkel är som följer: arbetspotential 0.1 V i 0.1 s och vilopotential 0.2 V i 0.2 s. Som ett resultat diffunderar AuCl 4-jonen jämnt runt WE.
- Ställ in galvaniseringscirklar på 800, 1600, 2400 och 3200 cirklar. Kör programmet.
OBS: Vanligtvis kan metodprogrammet för kronoamperometri i ES inte uppnå 1600 cykler. Alternativt kan Multi-Potential Steps-programmet för ES också användas för elektropläteringsmetoden, samma val som kronoamperometrimetoden (se tillverkarens instruktioner).
- Ställ in galvaniseringscirklar på 800, 1600, 2400 och 3200 cirklar. Kör programmet.
- Efter galvanisering, stäng ES, packa reagenserna och samla upp Au elektropläterad kolfiberduk (Au@CF).
- Sänk ner Au@CF i DI-vattnet tre gånger för att ta bort lösningsresterna. Placera den på ett glasunderlag för torkning i luften.
- Skär av den opläterade delen av Au@CF som orsakas av clamps för att förhindra att en del av CF kommer i kontakt med lösningar.
- Mät storleken på Au@CF (a: längd, b: bredd) med en linjal för att beräkna ström-/effekttätheter.
3. Prestandakarakterisering av en FC
- Bered lösningar med två koncentrationer, en lösning för pH-gradient (1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), medan den andra för H 2 O 2 (C HP) gradient (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol,2 mol).
- Karakterisera FC-prestanda med ES med två elektroder för OCP och tre elektroder för polarisations- och effektkurvorna (steg 3.3-3.6).
- Tvätta Ni-skum igen och Au@CF igen med DI-vatten två gånger. Lägg dem åt sidan för standby.
- Skaffa OCP-data under testningen av en FC: OCP är en viktig parameter i FC-prestandan.
- Använd Ni-skum som både RE och CE, och Au@CF som WE. Tillsätt lösningen till testbägaren. Anslut elektroderna till ES. Slå på ES.
- Ställ in programmet på Open Circuit Potential - Time Method; Körtid: 400 s, samplingsintervall: 0,1 s, hög E-gräns: 1 V, låg E-gräns: -1 V. Kör programmet.
OBS: Det tar ofta tid för FC-utgången att stabiliseras. Kör mätningar tills stabila FC-resultat erhålls. - Mät data. Stäng programmet. Tvätta bägaren och elektroderna. Lägg till andra lösningar för specifika tester.
- Testa utdataprestanda för FC baserat på OCP-data. Här krävs endast originalkurvdata för linjär svepvoltametri (LSV). Ytterligare utdata kan beräknas från LSV-kurvan.
- Tvätta Ni-skum igen och Au@CF med DI-vatten (upprepa två gånger). Använd Ni-skum som RE och CE, Au@CF som WE. Tillsätt lösningen till testbägaren.
- Ställ in programmet på LSV, OCP som Initial E, 0 V som Final E, skanningshastighet som 0.01 V/s, motsvarande villkoren för öppen krets (OCP) och kortslutning (0 V). Kör programmet.
- Samla in data, stäng programmet, tvätta bägaren och elektroderna och lägg till andra nödvändiga lösningar för specifika tester.
- Tvätta elektroderna efter experimenten och förvara dem på ett glas.
OBS: Experimentdata kan lagras i EXCEL-format.
4. Strukturell karakterisering av elektroder
OBS: XRD är en enkel och pålitlig metod för att analysera prover. XRD tas för att detektera element i elektroderna, såsom elektropläterad Au på kolduken. XRD-tester görs före och efter FC-karakterisering för att analysera potentiell korrosion och nedbrytning av elektroder. Till exempel kan Au-partiklar' lossna från CF, och nickelkorrosion kan uppstå i sura lösningar5.
- Tvätta elektroderna med DI-vatten (två gånger) och torka dem i luften i rumstemperatur.
- Skrapa bort metaller på elektroderna med en pincett. Samla upp metallpulvret och lägg det i en behållare.
- Utför XRD-tester17på metallpulverproverna.
- Ta SEM för att karakterisera elektrodernas morfologi och undersök infiltration och galvanisering mellan guld- och kolfiberduken. Dessutom karakteriseras korrosionen av nickel med SEM.
5. Databehandling och beräkning av uteffekt
- All data kan analyseras i EXCEL. Använd Excel eller Origin för att analysera data och rita experimentella grafer.
- Använd OCP-data för att karakterisera elektrodernas selektivitet, t.ex. med hjälp av en tabell eller en linjefigur. Använd genomsnittlig potential för tabellförklaringar. Vanligtvis används en linjefigur för att visa FC:s stabilitet.
- Använd LSV-data för att karakterisera FC:s utdataprestanda. Det finns två kolumner med data i EXCEL-filen. Vanligtvis visar en datauppsättning potential (U) och den andra är registrerad ström (I). Beräkna uteffekten med hjälp av följande ekvation: P = U × I
OBS: Ett högt strömvärde (I) visar en tillfredsställande prestanda för FC. Till exempel resulterar en stor elektrodyta i högre strömmar. En normaliserad parameter som hänvisas till FC:s prestanda är strömtäthet (I D), som är lika med strömmen dividerat med elektrodernas yta (A): ID = I/A - Beräkna sedan effekttätheten (PD) som: P D = U × ID
OBS: Det är viktigt att ta det absoluta värdet, eftersom preliminära datavärden kan vara negativa på grund av strömriktningen, vilket inte är önskvärt under mätningar. - Det är enkelt att jämföra parametrar med U, I, D och PD inom en enda siffra. Tilldela ID till x-axeln, U till vänster y-axel och PD till höger y-axel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultat av galvanisering
Figur 2 visar galvaniseringsresultaten. Figur 2A visar röntgendiffraktionsresultatet. Figur 2B,C är mikrobilderna. Figur 2D,E är SEM-resultat. Den effektiva avsättningen av guld (Au) på kolfiberduken (CF) bekräftades först med hjälp av den fysiska färgförändringen i kolfiberduken från svart till gyllengult, som visas i figur 2B,C. Ytterligare verifiering uppnås genom röntgendiffraktionsanalysen, som visade tydliga toppar vid 38,2°, 44,4°, 64,6° och 77,6° motsvarande (111), (200), (220) och (311) kristallplan av ansiktscentrerad kubisk (fcc) Au (PDF-kort nr 04-0784), vilket bekräftar framgångsrik elektroplätering av Au på CF-substratet.
Au-halten i den Au@carbon fiberelektroden kan uppskattas enligt följande: börjar med 1 g HAuCl4; Den kan användas för cirka 15 galvaniseringssessioner. Guldhalten (mAu) från 1 g HAuCl4 beräknas med formeln:
Kodning till uppskattning mAu = 0,58 g. När den delas upp mellan de 15 sessionerna innehåller varje galvaniseringslösning följande vikt av Au3+ -joner:
Det är dock viktigt att notera att inte alla Au3+-joner i lösningen deponeras på kolfiberduken under galvaniseringsprocessen. Därför innehåller varje kolfiberduk mindre än 0,039 g Au.
SEM-bilder i figur 2D-Iindikerade en enhetlig spridning av Au-nanopartiklar över kolfiberduken. Anmärkningsvärt nog förblev den ursprungliga tredimensionella porösa strukturen hos CF välbevarad efter elektroplätering. Detta bevarande är avgörande, eftersom det ger en stor yta för interaktion med H2O2-bränslet, vilket förbättrar reaktionshastigheten och effekten.
Figur 3 illustrerar Au@CFs utsätts för olika antal galvaniseringscykler. Figur 3A visar färgutvecklingen för den Au elektropläterade kolfiberduken. Färgövergången från CF:s ursprungliga svarta färg till Au:s guld, som intensifierades från ljust till mörkt, tyder på en ökning av volymen av Au som avsatts på CF när antalet galvaniseringscykler ökade. Ytterligare stöd för denna slutsats kommer från SEM-bilderna, figur 3B-E, som avslöjar den utvecklande fördelningen av Au över kolfiberduken.
H 2O2 FC resultat
OCP för FC mättes för olika lösnings-pHs och H 2 O2 koncentrationer, vilket hjälper till att tolka de elektrokemiska egenskaperna hos H 2 O 2FCs. OCP:s explicita beroende av både pH och H2O2-koncentrationobserverades. Den högsta OCP uppnåddes vid ett pH på 1 och en H 2 O2koncentration på 0,25 mol. OCP-fynden relaterade till pH överensstämmer med tidigare studier som indikerar att H2O2-disproportionering och FC-prestanda är starkt pH-beroende18. Ett lågt pH hjälper till att stabilisera H 2O 2 -lösningar, eftersom H 2 O 2kan ses som en svag syra. Den betydande kemiska sönderdelningen avH2O2i basiska lösningar med pH över 11 kan tydligt observeras. Dessutom, enligt Nernst ekvation18, ökar OCP vanligtvis när koncentrationen av elektrolyter ökar. Men till skillnad från andra FC minskar OCP för H 2 O 2 FCnär H 2 O 2koncentrationen ökar, särskilt med hjälp av Au-elektroder 19. Hypotesen är att denna observation beror på den blandade potentialen eller den begränsade elektrodselektiviteten. En högre koncentration leder till en högre kemisk nedbrytningshastighet, vilket minskar OCP. Icke desto mindre krävs ytterligare forskning för att undersöka denna observation mer i detalj.
Polarisations- och effektkurvor har erhållits med hjälp av specifika lösningar och galvaniseringscirkelförhållanden. Den maximala uteffekten erhölls vid optimala förhållanden med specifika galvaniseringscirkelförhållanden (pH 1, H 2 O2 koncentration1 mol, galvaniseringscirkel 3200). Med optimala lösningsbetingelser erhölls den maximala uteffekten vid optimala förhållanden (pH 1, H 2O 2 koncentration2 mol). Detta maximala effektvärde är betydligt högre än de som erhålls med de icke-optimala förhållandena, vilket ytterligare belyser vikten av optimering av galvaniseringscirklar och lösningsförhållanden för att uppnå högpresterande H 2 O2FC.
H 2 O2FC uppvisar tillfredsställande stabilitet vid optimala förhållanden under kontinuerliga 400 s-mätningar.
XRD-analys17 av Ni-skum- och Au@CF-elektroderna (före och efter FC-prestandatesterna) visade försumbara förändringar, vilket indikerar tillfredsställande korrosionsbeständighet hos elektroderna under optimala driftsförhållanden. Enligt det beskrivna protokollet illustreras observerade resultat och visar den förbättrade prestandan hos H 2 O2FC med den tredimensionella porösa elektroden.
Positivt resultat:
Som visas i figur 4A observerades en ökning av effekt- och strömtätheten med ett högre antal galvaniseringscykler. Denna observation tillskrivs att mer Au pläteras på CF med större galvaniseringscykler, vilket ger ett mer aktivt material för att underlätta elektrokemiska reaktioner. FC-prestandaförbättringen ökar dock inte proportionellt med antalet galvaniseringscykler. En blygsam förbättring på cirka 20 % i ström- och effekttäthet registrerades när galvaniseringscyklerna fördubblades från 800 till 1600. Den föreslog att överdriven elektroplätering kan leda till bildandet av ett skikt som kapslar in nano Au, vilket minskar masstransporteffektiviteten. Detta fynd kan ge värdefulla insikter i galvaniseringsmetoden för katalysatortillverkning.
Figur 4B illustrerar hållbarheten hos den öppna kretspotentialen (OCP) för H 2 O2FC vid olika koncentrationer i lösningar med ett pH på 1. Data indikerar att elektroden kan arbeta kontinuerligt i minst 400 s utan betydande försämring, vilket visar robustheten hos elektroder som tillverkas genom galvanisering.
Intressant nog överträffade OCP för H 2 O2FC det teoretiska värdet i både sura och basiska medier, vilket tyder på att den designade elektroden effektivt katalyserar reaktioner inom FC. Effekten och strömutgången från FC visade sig öka med H2O2-koncentrationen och nådde en topp vid ett specifikt pH. Denna observation bekräftar elektrodens effektivitet och belyser inverkan av lösningens pH ochH2O2-koncentrationpå FC-prestandan.
Figur 4C visar FC:s polarisations- och effekttäthetskurvor under optimala förhållanden. En toppeffekttäthet på cirka 0,8 W m-2 uppnåddes vid en H 2 O 2koncentration på2 M och ett pH på 1, vilket visar effektiviteten hos den tredimensionella porösa elektroden när det gäller att underlätta FC:s reaktioner och öka uteffekten.
Negativt resultat:
Å andra sidan observerades suboptimala resultat vid alltför höga H2O2-koncentrationer. Som visas i figur 4C leder en ökning av H2O2-koncentrationen utöver en optimal punkt inte till en motsvarande proportionell ökning av prestandan, vilket understryker att det finns en idealiskH2O2-koncentrationför FC-drift för att balansera bränsleförbrukning och prestanda. Till exempel ökade den maximala effekttätheten med cirka 44 % från 0,56 W m-2 till 0,81 W m-2 när H2O2-koncentrationen ökade åtta gånger från 0,25 M till 2 M.
Dessutom visade sig FC-prestandan vara känslig för lösningens pH. Under extremt sura och basiska förhållanden (pH-värden under 3 och över 11) var FC:s uteffekt relativt hög, vilket framgår av figur 4D.
Dessa resultat belyser hur olika parametrar påverkar prestandan hos H 2 O2 FC. Med ytterligare optimering av den kemiska sammansättningen och utvecklingen av mer selektiva elektrokatalysatorer kan denna lovande och miljövänliga energianordning hitta praktiska tillämpningar. Tabell 1 visar de konkurrenskraftiga bränslekostnaderna och den energi som genereras på FC-systemen20,21,22.
Figur 1: Schematisk representation av denna studie. (A) Schematisk integration av en enda membranlös FC. (B) En arbetsprincip för H 2 O2FC. (C) Processen för elektropläteringsmetod med förbehandling på kolfiberduk, galvaniseringslösning på 5 mM HAuCl4, 1 M HCl och galvaniseringsprogram. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Strukturell karakterisering av 1600 cirklar elektropläterade Au@CF. (A) XRD-resultat av Au@CF. (B) Mikrobild av CF före galvanisering. (C) Mikrobild av CF efter Au-deponering. (D, E); (F,G); och (H,I) är SEM-resultat för CF före elektroplätering, efter elektroplätering respektive efter prestandatester. Skalstaplar: (D), 20 μm; (E,G), 1 μm; (F,H,I), 10 μm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Mikrograf- och SEM-resultat av Au@CF under olika galvaniseringscirklar. (A) Från vänster till höger finns 0, 800, 1600, 2400 respektive 3200 galvaniseringscirklar Au@CF. (BE) är SEM-bilder av Au@CF under 800, 1600, 2400 respektive 3200 galvaniseringscirklar. Skalstaplar: (B,D), 10 μm; (C), 2 μm; (E), 3 μm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Prestandakarakterisering av FC. (A) polarisationskurvor (vänster) och uteffekt (höger) med användning av olika galvaniseringscirklar (800, 1600, 2400, 3200 cirklar) i pH = 1, CHP = 1 M lösningar. (B) OCP-test under olika H 2 O 2 koncentrationer (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) i pH = 1 lösningar och med 1600 cirklar elektropläterade Au@CF i 400 s. (C) Polarisationskurva (vänster) och uteffekt (höger) under olika H 2 O 2koncentrationer (0,25 M, 0,5 M,1 M, 2M) i pH = 1 lösningar och med 1600 cirklar elektropläterade Au@CF. (D) OCP- och maximala strömtäthetskurvor under olika pH-förhållanden från pH = 1 till 13 i 1 M H 2 O2lösningar och med 1600 Au@CF elektropläterade cirklar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Bränslen | Fri energi (kJ/mol) | Bränslekostnad | Energikostnad ($/kW) | Hänvisning |
| Väte | -237 | 6,9 $/kg | 200 | 20 |
| NaBH4 | -1273 | 55 $/kg | 10.2 | 21 |
| H 2O2 | -120 | 1,8 $/ton (bulk) | 1.84 | 22 |
Tabell 1: Konkurrenskraftiga kostnader för bränslen och kostnaden för energi som genereras i bränsleförbrukningssystemen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Flera parametrar påverkar signifikant prestandan hos en membranlös väteperoxidbränslecell utöver lösningens pH ochH2O2-koncentration. Valet av elektrodmaterial dikterar elektrokatalytisk aktivitet och stabilitet, medan elektrodens yta kan förbättra reaktionsställena. Driftstemperaturen påverkar reaktionskinetiken, och flödeshastigheten för reaktanter kan bestämma blandningseffektiviteten hos bränsle och oxidationsmedel. Koncentrationen av en katalysator som används är avgörande för reaktionshastigheten, och föroreningar kan hämma eller förgifta katalysatorn. Bränslecellens design, inklusive elektrodavstånd och flödeskanalgeometri, påverkar masstransport och kinetik. Elektrolytens typ och koncentration påverkar jonledningsförmågan, och den externa kretsens motstånd och design kan ändra driftsparametrar som ström- och effekttäthet. Dessutom kan koncentrationen av syre, en biprodukt av H2O2-nedbrytning i närvaro av specifika katalysatorer, också spela en roll i cellens prestanda. Optimering av dessa parametrar är avgörande för effektiviteten och hållbarheten hos membranlösa väteperoxidbränsleceller 7,8,9,10.
Undersökningen koncentrerades på tillverkningen av en tredimensionell porös elektrod skräddarsydd för väteperoxidbränsleceller (H 2 O2FCs) och förbättringen av bränslecellens prestanda genom reglering av lösningsparametrar11,12. Den framgångsrika elektropläteringen av Au på CF bekräftades med hjälp av XRD-analys och SEM-avbildning. Den resulterande tredimensionella porösa Au@CF-elektroden uppvisade robust prestanda i H 2O 2 FC under optimala lösningsförhållanden (pH 1, H 2 O 2 koncentration 2M), och ett optimalt prestandaförhållande uppnåddes vid 1600 galvaniseringscykler, vilket indikeras av OCP, uteffekt och överlägsen stabilitet.
Dessa resultat har avgörande betydelse för design och utveckling av effektiva elektroder förH2O2FC. Den tredimensionella porösa strukturen är redo att maximera kontaktytan medH2O2-bränslet, vilket potentiellt förbättrar den elektrokemiska reaktionshastigheten och ökar FC:ernas effekt. Dessutom tyder den anmärkningsvärda korrosionsbeständigheten hos den Au@CF elektroden på att de valda materialen har potential för långsiktig, stabil drift av H 2 O2 FC.
Vissa kritiska element kräver noggrant övervägande för att ytterligare förbättra prestandan hos H 2 O2FC med en tredimensionell elektrod med porös struktur. Främst bland dessa är tillverkningen av den porösa elektroden. Korrekt ytbehandling och reglering av porstorleksfördelningen är av yttersta vikt, eftersom dessa faktorer direkt påverkar elektrodens elektrokatalytiska effektivitet. Dessutom är hanteringen av H2O2-koncentrationen och lösningens pH kritisk. FC:s prestanda kan försämras på grund av för hög ellerotillräcklig H2O2-koncentration, som observerats i experimenten, och en liknande trend observerades när lösningens pH avvek från det optimala intervallet.
För att förbättra prestandan hos H 2 O2FC under optimala förhållanden kan vissa modifieringar vara motiverade. Till exempel kan elektrodytbehandlingsprocessen optimeras för att uppnå ett mer varierat utbud av porstorlekar, vilket kan förbättra reaktionskinetiken. När den förväntade uteffekten inte uppnås kan specifika forskningssteg behövas, vilket kan innebära finjustering av H2O2-koncentrationen, justering av pH och övervägande av andra parametrar, inklusive temperatur och tryck, som kan påverka FC:s prestanda.
Även om den framgångsrika utvecklingen av den nya elektroden och de lovande resultaten från FCs-testerna banar väg för potentiella tillämpningar avH2O2inom ren energiteknik, är ytterligare forskning motiverad för att förfina elektrodens design, selektivitet och yta mot H 2 O2 FC praktiska tillämpningar.
Det observerade beteendet i membranlösaH2O2FC understryker det intrikata samspelet mellan pH-dynamik och väteperoxidkoncentration. Prestandan hos H 2 O2FC är inte bara en funktion av dess elektroddesign utan påverkas djupt av elektrolytens kemiska sammansättning. Vid ett optimalt pH och H 2O2 koncentration underlättas de elektrokemiska reaktionerna, vilket leder till effektiv elektronöverföring och förbättrad effekt. Påverkan av pH kan tillskrivas dess roll i moduleringen av protonaktiviteten och redoxpotentialen i systemet. Ett balanserat pH säkerställer att de elektrokemiska reaktionerna vid både anod och katod fortskrider smidigt utan hinder13,14. Å andra sidan påverkar H2O2-koncentrationen direkt tillgängligheten av reaktanter. En optimal koncentration säkerställer att det finns en stadig tillförsel av H2O2-molekyler för att delta i redoxreaktionerna, vilket genererar ett konsekvent flöde av elektroner. Varje avvikelse från denna jämvikt, antingen ett obalanserat pH eller en suboptimalH2O2-koncentration,kan dock störa elektronflödet, vilket leder till minskad prestanda. Det är troligt att vid extrema pH-nivåer kan katalysatorns struktur eller aktivitet äventyras, eller sidoreaktioner kan bli dominerande. På samma sätt kan för låga eller för högaH2O2-koncentrationer antingen svälta reaktionen eller leda till dess mättnad. I huvudsak är synergin mellan pH och peroxidkoncentration avgörande för att bestämma effektiviteten hosH2O2FCs. Framtida forskning kan klargöra djupare förståelse av dessa parametrar, vilket potentiellt kan låsa upp ännu bättre prestanda från dessa hållbara energienheter.
Kritiska steg
Processen att elektroplätera guld (Au) på kolduk är en hörnsten i tillverkningen av de tredimensionella elektroderna. Guldskiktets kvalitet, enhetlighet och tjocklek är av största vikt eftersom de direkt påverkar elektrodens elektrokemiska egenskaper. Kronoamperometritekniken, som valdes för denna process, har fördelen att den säkerställer en konsekvent och jämn avsättning av guld på tyget. En känslig balans måste dock uppnås vid bestämning av antalet galvaniseringscykler. För många cykler leder till en överbeläggning av guld, vilket kan äventyra kolfiberdukens inneboende porösa natur och därmed påverka dess effektivitet. Beredningen avH2O2-lösningenär ett annat kritiskt steg som kräver precision. pH-nivån och koncentrationen avH2O2-lösningenär avgörande för att bestämma FC:s prestanda. Forskningen observerade en direkt korrelation mellan dessa parametrar och FC:s resultat, vilket belyser vikten av noggrann lösningsberedning.
Modifieringar och felsökning
Införandet av en tredimensionell porös elektrod var en betydande modifiering som syftade till att förbättra interaktionen mellan elektroden och H2O2-bränslet. Det primära målet bakom denna designinnovation var att påskynda den elektrokemiska reaktionshastigheten och därigenom öka både effekt- och strömutgången. Men även om designen är lovande, kan galvaniseringsprocessen kräva ytterligare förfiningar för att säkerställa att elektrodegenskaperna överensstämmer med de önskade resultaten. Forskningen underströk FC:s prestandakänslighet för H2O2-lösningens pH och koncentration. Eventuella avvikelser från de optimala parametrarna kan leda till minskad effekt eller till och med instabilitet i FC:s funktion. Som en felsökningsåtgärd kan finjustering av dessa parametrar åtgärda prestandaproblem.
Begränsningar
Trots framstegen har den nuvarande H 2 O2FC-tekniken vissa begränsningar. I kombination med andra bränslecellstekniker tenderar H 2 O2FC att uppvisa lägre effekt- och strömutgångar. En primär orsak till detta är elektrodernas begränsade katalytiska selektivitet. H 2 O2 FC:s prestanda är starkt beroende av lösningens pH och H 2 O 2koncentration. Den här känsligheten innebär att det finns ett relativt smalt driftsfönster inom vilket FC kan leverera optimala resultat.
Betydelse i förhållande till befintliga metoder
H 2 O 2 FC:s membranlösa arkitektur skiljer sig avsevärt från konventionella bränsleceller 1,2,3,4. Detta designval kringgår effektivt flera utmaningar som plågar traditionella FC:er, såsom de höga kostnaderna i samband med tillverkning och komplexiteten i deras design. Introduktionen av en tredimensionell elektrod i denna forskning är en gamechanger. Genom att underlätta förbättrad elektrokemisk reaktionskinetik har denna elektroddesign löftet om att uppnå högre effekttätheter för H 2 O2FC, vilket skiljer dem från konventionella konstruktioner.
Framtida tillämpningar av tekniken
Utöver deras tillämpning i bränsleceller har de tredimensionella elektroderna en bredare potential. De kan integreras i portabla energisystem eller till och med användas som katalysatorer med hög yta. En sådan mångsidighet kan katalysera utvecklingen av kompakta och effektiva energienheter som är lämpliga för olika tillämpningar. Det banbrytande arbetet med H 2 O2FC är avgörande i det globala skiftet från beroende av fossila bränslen till antagandet av mer miljövänliga energialternativ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga konflikter att deklarera.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Kinas nationella FoU-program för nyckelteknik (2021YFA0715302 och 2021YFE0191800), Kinas nationella naturvetenskapliga stiftelse (61975035 och 52150610489) och Shanghais kommuns vetenskaps- och teknikkommission (22ZR1405000).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Merck & Co. Inc. (MRK) | 67-64-1 | solution for pre-process of materials |
| Alcohol | Merck & Co. Inc. (MRK) | 64-17-5 | solution for pre-process of materials |
| Carbon fiber cloth | Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd. | W0S1011 | substrate material for electroplating method |
| Electrochemistry station | Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd. | CHI600E | device for electroplating method and fuel cell performance characterization |
| Gold chloride trihydrate | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | G141105-1g | main solute for electroplating method |
| Hydrochloric acid | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011018 | adjustment of solution pH |
| Hydrogen peroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011208 | fuel of cell |
| Nickel foam | Willtek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China) | KSH-2011 | anode material for hydrogen peroxide fuel cell |
| Potassium chloride | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | 10016308 | additives for electroplating method |
| Scanning electron microscope | Carl Zeiss AG | EVO 10 | structural characterization for sample |
| Sodium hydroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10019718 | adjustment of solution pH |
| X-Ray differaction machine | Bruker Corporation | D8 Advance | structural characterization for sample |
References
- Sazali, N., Wan Salleh, W. N., Jamaludin, A. S., Mhd Razali, M. N. New perspectives on fuel cell technology: A brief review. Membranes. 10 (5), 99 (2020).
- Singla, M. K., Nijhawan, P., Oberoi, A. S. Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review. Environmental Science and Pollution Research International. 28 (13), 15607-15626 (2021).
- Cao, D., Chen, D., Lan, J., Wang, G. An alkaline direct NaBH4-H2O2 fuel cell with high power density. Journal of Power Sources. 190 (2), 346-350 (2009).
- Lan, R., Tao, S. Ammonia as a suitable fuel for fuel cells. Frontiers in Energy Research. 2, 2014 (2014).
- Alias, M. S., Kamarudin, S. K., Zainoodin, A. M., Masdar, M. S. Active direct methanol fuel cell: An overview. International Journal of Hydrogen Energy. 45 (38), 19620-19641 (2020).
- Ferrigno, R., Stroock, A. D., Clark, T. D., Mayer, M., Whitesides, G. M. Membraneless vanadium redox fuel cell using laminar flow. Journal of the American Chemical Society. 124 (44), 12930-12931 (2002).
- Yan, X., Xu, A., Zeng, L., Gao, P., Zhao, T. A paper-based microfluidic fuel cell with hydrogen peroxide as fuel and oxidant. Energy Technology. 6 (1), 140-143 (2018).
- Ha, S. M., Ahn, Y. Laminar flow-based micro fuel cell utilizing grooved electrode surface. Journal of Power Sources. 267, 731-738 (2014).
- Liu, Z., et al. A woven thread-based microfluidic fuel cell with graphite rod electrodes. International Journal of Hydrogen Energy. 43 (49), 22467-22473 (2018).
- Peng, J., Zhang, Z. Y., Niu, H. T. A Three-dimensional two-phase model for a membraneless fuel cell using decomposition of hydrogen peroxide with y-shaped microchannel. Fuel Cells. 12 (6), 1009-1018 (2012).
- Wu, K. H., et al. Highly selective hydrogen peroxide electrosynthesis on carbon: in situ interface engineering with surfactants. Chem. 6 (6), 1443-1458 (2020).
- Yang, Y., et al. A facile microfluidic hydrogen peroxide fuel cell with high performance: electrode interface and power-generation properties. ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5328-5335 (2018).
- An, L., Zhao, T., Yan, X., Zhou, X., Tan, P. The dual role of hydrogen peroxide in fuel cells. Science Bulletin. 60 (1), 55-64 (2015).
- Yamazaki, S. I., et al. A fuel cell with selective electrocatalysts using hydrogen peroxide as both an electron acceptor and a fuel. Journal of Power Sources. 178 (1), 20-25 (2008).
- Sanli, A. E., Aytaç, A. Response to Disselkamp: Direct peroxide/peroxide fuel cell as a novel type fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 36 (1), 869-875 (2011).
- Gu, L., Nie, L., George H, M. iley Cathode electrocatalyst selection and deposition for a direct borohydride/hydrogen peroxide fuel cell. Journal of Power Sources. 173 (1), 77-85 (2007).
- Yang, F., Cheng, K., Wu, T., Zhang, Y., Yin, J., Wang, G., Cao, D. Preparation of Au nanodendrites supported on carbon fiber cloth and its catalytic performance to H2O2 electroreduction and electrooxidation. RSC Advances. 3 (16), 5483-5490 (2013).
- Vidal-Iglesias, F. J., Solla-Gullón, J., Herrero, E., Rodes, A., Aldaz, A. Do you really understand the electrochemical Nernst equation. Electrocatalysis. 4, 1-9 (2013).
- Jing, X., et al. The open circuit potential of hydrogen peroxide at noble and glassy carbon electrodes in acidic and basic electrolytes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 658 (1-2), 46-51 (2011).
- Eaves, S., Eaves, J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles. Journal of Power Sources. 130 (1-2), 208-212 (2004).
- Wee, J. H. Which type of fuel cell is more competitive for portable application: Direct methanol fuel cells or direct borohydride fuel cells. Journal of Power Sources. 161 (1), 1-10 (2006).
- Muthukumar, P., Groll, M. Erratum to "Metal hydride based heating and cooling systems: a review". International Journal of Hydrogen Energy. 35 (16), 8816-8829 (2010).
