Summary
该协议介绍了利用Au电镀碳纤维布和泡沫镍电极的用于过氧化氢燃料电池的创新三维电极的设计和评估。研究结果强调了过氧化氢作为可持续能源技术有前途的候选者的潜力。
Abstract
在对无膜过氧化氢燃料电池 （H 2 O 2 FC） 的深入研究中，过氧化氢 （H 2 O 2） 是一种碳中性化合物，经电化学分解产生 H 2 O、O 2和电能。H 2 O2独特的氧化还原特性使其成为可持续能源应用的可行候选者。所提出的无膜设计解决了传统燃料电池的局限性，包括制造复杂性和设计挑战。介绍了一种通过电镀技术合成的新型三维电极。该电极由镀金碳纤维布和泡沫镍制成，具有增强的电化学反应动力学，可提高 H 2 O2FC 的功率密度。燃料电池的性能与电解质溶液的pH值有着千丝万缕的联系。除了燃料电池应用外，这种电极在便携式能源系统中也具有潜力，并可作为高表面积催化剂。本研究强调了电极工程在优化H 2 O2作为环境友好能源的潜力方面的重要性。
Introduction
燃料电池是一种利用燃料和氧化剂将化学物质转化为电能的电化学装置。FC 比传统内燃机具有更高的能量转换效率，因为它们不受卡诺循环1 的约束。通过利用氢气 （H 2）2、硼氢化氢 （NaBH 4）3 和氨 （NH 3）4 等燃料，燃料电池已成为一种很有前途的能源，它既环保又能实现高性能，为减少人类对化石燃料的依赖提供了巨大的潜力。然而，燃料电池技术面临着特定的挑战。一个普遍存在的问题是质子交换膜 （PEM） 在 FC 系统中的内部作用，它起到了防止内部短路的作用。电解膜的集成会增加制造成本、内部电路电阻和架构复杂性5.此外，由于集成流道、电极和板以增强功率和电流输出的复杂过程，将单室 FC 转换为多堆栈阵列会带来额外的复杂性5。
在过去的几十年里，我们齐心协力地应对这些与膜相关的挑战并简化 FC 系统。值得注意的是，使用低雷诺数层流共流的无膜 FC 配置的出现提供了一种创新的解决方案。在这种设置中，两个流动之间的界面充当“虚拟”质子传导膜6。基于层流的 FC （LFFC） 已被广泛研究，利用了微流体的优势 7,8,9,10。然而，LFFC需要严格的条件，包括泵送层流燃料/氧化剂的高能量输入，减少流体流中的反应物交叉，以及优化流体动力学参数。
最近，H 2 O 2 因其碳中性和性质而作为潜在的燃料和氧化剂引起了人们的兴趣，在电极11,12 的电氧化和电还原过程中产生水 （H 2 O） 和氧气 （O2）。H2 O2 可以使用双电子还原过程或通过水的双电子氧化过程12 批量生产。随后，与其他气体燃料相比，液态H 2 O2燃料可以集成到现有的汽油基础设施5中。此外，H 2 O 2 歧化反应使 H 2 O2既可以作为燃料又可以作为氧化剂。图 1A 显示了简单的 H 2 O2 FC 架构的示意图。与传统的 FC2、3、4 相比，H 2 O2FC 利用了设备“简单”的优点。Yamasaki等人证明了无膜H 2 O2FCs，它既起着燃料的作用，又起着氧化剂的作用。所描述的电能产生机理启发了研究界继续这一研究方向6.随后，使用 H 2 O2 作为燃料和氧化剂的电氧化和电还原机理由以下反应表示13,14
在酸性介质中：
阳极：H2 O 2 → O2 + 2H+ + 2e-;Ea1 = 0.68 V vs. SHE
阴极：H 2 O 2 + 2H+ + 2e- → 2H2 O;Ea2 = 1.77 V 对比她
总计： 2 H 2O 2 → 2H 2 O + O2
在基本媒体中：
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
阳极：HO2- + OH- → O 2 + H2O + 2e-;Eb1 = 0.15 V 对比她
阴极：HO2- + H2O + 2e- → 3OH-;Eb2 = 0.87 V 对比她
总计： 2 H 2O 2 → 2H 2 O + O2
图 1B 说明了 H 2 O 2 FC 的工作原理，H 2 O 2在阳极提供电子，在阴极接受电子。阳极和阴极之间的电子转移通过外部电路发生，从而产生电力。H 2 O2FC 的理论开路电位 （OCP） 在酸性介质中为 1.09 V，在碱性介质中为 0.62 V13。然而，许多实验结果显示，与理论OCP相比，该值较低，在酸性介质中达到0.75 V，在碱性介质中达到0.35 V。这一观察结果可归因于混合电位的存在13.此外，由于电极的催化选择性有限，H 2 O 2 FC 的功率和电流输出无法与上述 FCs2,3,4 竞争。 然而，值得注意的是，目前的H 2 O 2 FC技术在总成本方面可以优于H2、NaBH4和NH3 FC，如表1所示。因此，增强电极对H 2 O2电氧化和电还原的催化选择性仍然是这些器件面临的重大挑战。
在这项研究中，我们引入了一种三维多孔结构电极来改善电极与H 2 O2燃料之间的相互作用，旨在提高反应速率并增强功率和电流输出。我们还研究了溶液 pH 值和 H 2 O2浓度对 FC 性能的影响。本研究中使用的电极对包括镀金碳纤维布和泡沫镍。使用 X 射线衍射 （XRD） 和扫描电子显微镜 （SEM） 进行结构表征，开路电位 （OCP）、偏振和功率输出曲线作为 FC 测试的主要参数。
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Protocol
1、材料预处理
注意：H 2 O2FC 的阳极使用尺寸为 25 mm x 25 mm x 1.5 mm 的泡沫镍（市售，参见材料表）。
- 将泡沫镍样品浸入酒精和去离子（DI）水中，在溶剂和水中超声处理3次，5分钟。随后，将泡沫镍放在干净的玻璃基板上。
- 使用碳纤维布（见 材料表）作为阴极基板。用剪刀将碳布剪成 25 毫米 x 25 毫米的正方形碎片。
- 将碳布样品浸入丙酮，75%酒精，去离子水中，并分别超声处理3次，每次5分钟。然后，用去离子水冲洗碳布以去除酒精残留物。将碳布放在玻璃基板上。
注：根据所讨论的研究结果15,16，选择Au作为阴极和Ni作为阳极作为H 2 O 2 FCs的催化剂。 Pt、Pd、Ni、Au和Ag等金属对H 2 O2氧化或还原反应具有特定的催化选择性，使其成为合适的电极材料。Au@carbon纤维电极兼具电催化活性、稳定性和增强的导电性，使其成为无膜过氧化氢燃料电池的合适选择。
2.在碳布上电镀Au
- 按照以下方法制备电镀试剂：氯金酸（HAuCl4），氯化钾（KCl），盐酸（HCl）和去离子水（参见 材料表）。
- 在含有0.005M HAuCl 4,0.1M KCl和0.01M HCl的干净烧杯中制备80mL溶液（基于烧杯的体积）。 密封开口并搅拌溶液15分钟。
- 准备电镀材料碳布和电镀液。电镀过程由电化学站（ES）运行（见 材料表）。
注：这里选择三电极方法进行电镀：碳布作为工作电极（WE），石墨棒作为对电极（CE），Ag/AgCl（饱和1M KCl溶液）作为参比电极（RE）。 - 确保每个电极都夹紧正确的物体。将电极浸入电镀液中。
- 启动 ES。将程序设置为 计时电流法， 如图 1C 所示。确保单个沉积圈如下：工作电位 0.1 V 持续 0.1 秒，静息电位 0.2 V 持续 0.2 秒。结果，AuCl4- 离子均匀地扩散到WE周围。
- 将电镀圆圈设置为 800、1600、2400 和 3200 圆圈。运行程序。
注意： 通常，ES 中的计时电流法程序无法达到 1600 次循环。另外，ES的 多电位步骤 程序也可用于电镀方法，与计时电流法的选择相同（参见制造商的说明）。
- 将电镀圆圈设置为 800、1600、2400 和 3200 圆圈。运行程序。
- 电镀后，关闭ES，包装试剂，收集Au电镀碳纤维布（Au@CF）。
- 将Au@CF浸入去离子水中三次，以除去溶液残留物。将其放在玻璃基板上，在空气中干燥。
- 切割由夹具引起的Au@CF的未镀部分，以防止部分CF接触溶液。
- 用用于计算电流/功率密度的尺子测量Au@CF的大小（a： 长度， b：宽度）。
3. 燃料电池的性能特征
- 制备两种浓度的溶液，一种溶液用于pH梯度（1mol H 2 O 2，pH = 1,3,5,7,9,11,13），另一种溶液用于H 2 O 2（C HP）梯度（pH = 1，CHP = 0.25mol，0.5mol，1mol，2 mol）。
- 通过ES表征FC性能，其中两个电极用于OCP，三个电极用于极化和功率输出曲线（步骤3.3-3.6）。
- 重新清洗泡沫镍，然后用去离子水再次Au@CF两次。将它们放在一边备用。
- 在 FC 测试期间获取 OCP 数据：OCP 是 FC 性能的重要参数。
- 使用泡沫镍作为 RE 和 CE，Au@CF作为 WE。将溶液添加到测试烧杯中。将电极连接到 ES。打开 ES。
- 将程序设置为开路电位 - 时间法;运行时间：400 s，采样间隔：0.1 s，上限 E 限制：1 V，下 E 限制：-1 V。
注意： FC 输出通常需要一段时间才能稳定下来。运行测量，直到获得稳定的 FC 结果。 - 测量数据。关闭程序。清洗烧杯和电极。为特定测试添加其他解决方案。
- 根据 OCP 数据测试 FC 的输出性能。在这里，只需要原始 的线性扫描伏安法 （LSV）曲线数据。可以从LSV曲线计算出进一步的输出数据。
- 重新清洗泡沫镍并用去离子水Au@CF（重复两次）。使用泡沫镍作为RE和CE，Au@CF作为WE。将溶液添加到测试烧杯中。
- 将程序设置为LSV，OCP为初始E，0V为最终E，扫描速率为0.01 V/s，对应开路（OCP）和短路（0V）条件。运行程序。
- 收集数据，关闭程序，清洗烧杯和电极，并添加其他特定测试所需的溶液。
- 实验后清洗电极并将其存放在玻璃上。
注意：实验数据可以以EXCEL格式存储。
4. 电极的结构表征
注：XRD是一种简单可靠的样品分析方法。XRD用于检测电极的元素，例如碳布上的电镀金。在 FC 表征之前和之后进行 XRD 测试，以分析电极的潜在腐蚀和降解。例如，金颗粒可以从CF中分离出来，在酸性溶液中可能会发生镍腐蚀5。
- 用去离子水清洗电极（两次），并在室温下在空气中干燥。
- 用镊子刮掉电极上的金属。收集金属粉末并将其放入容器中。
- 对金属粉末样品进行XRD测试17。
- 采用SEM表征电极的形貌，并研究金布和碳纤维布之间的渗透和电镀。此外，通过SEM表征镍的腐蚀。
5.数据处理和功率输出计算
- 所有数据都可以在EXCEL中进行分析。使用 Excel 或 Origin 分析数据并绘制实验图。
- 使用OCP数据表征电极的选择性，例如，使用表格或线图。使用表图例的平均潜力。通常，线图用于演示 FC 的稳定性。
- 使用 LSV 数据表征 FC 的输出性能。EXCEL 文件中有两列数据。通常，一个数据集显示电位 （U），另一个数据集记录电流 （I）。使用以下公式计算功率输出：P = U × I
注意： 高电流 （I） 值表示 FC 的性能令人满意。例如，电极表面积越大，电流就越大。FC 性能的归一化参数是电流密度 （I D），它等于电流除以电极的表面积 （A）：ID = I/A - 随后，计算功率密度 （PD） 为：P D = U × ID
注：必须取绝对值，因为初始数据值可能由于电流方向而为负值，这在测量过程中是不可取的。 - 在单个图形中使用 U、I D 和 PD 比较参数非常简单。将 ID 分配给 x 轴，将 U 分配给左侧 y 轴，将 PD 分配给右侧 y 轴。
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Representative Results
电镀结果
图2显示了电镀结果。图2A表示X射线衍射结果。图2B，C是显微照片。图2D，E是SEM结果。金（Au）在碳纤维布（CF）上的有效沉积首先通过碳纤维布颜色从黑色到金黄色的物理变化来确认，如图2B，C所示。通过X射线衍射分析进一步验证，在38.2°、44.4°、64.6°和77.6°处有清晰的峰，对应于面心立方（fcc）金（PDF卡号04-0784）的（111）、（200）、（220）和（311）晶面，从而证实了Au成功电镀到CF衬底上。
Au@carbon纤维电极中的金含量可估算如下：从1 g HAuCl4开始;它可用于大约 15 次电镀。1 g HAuCl4 的金含量 （mAu） 使用以下公式计算：
根据估计值 mAu = 0.58 g。当分为 15 个疗程时，每个电镀液含有以下重量的 Au3+ 离子：
但需要注意的是，在电镀过程中，并不是所有的Au3+离子都会沉积在碳纤维布上。因此，每块碳纤维布的金含量低于0.039克。
图2D-I中的SEM图像表明Au纳米颗粒均匀地分散在碳纤维布上。值得注意的是，CF的原始三维多孔结构在电镀后仍然保存完好。这种保存至关重要，因为它为与 H 2 O2燃料的相互作用提供了较大的表面积，从而提高了反应速率和功率输出。
图 3 说明了Au@CFs经受不同次数的电镀循环。图3A突出显示了Au电镀碳纤维布的颜色渐变。从CF的原始黑色到Au的金色的颜色转变，从浅到深加剧，表明随着电镀循环次数的增加，沉积在CF上的Au的体积增加。SEM图像（图3B-E）进一步支持了这一结论，该图像揭示了金在碳纤维布上的演变分布。
H2 O2 FC 性能结果
测量了不同溶液pH值和H 2 O 2浓度下FCs的OCP，这有助于解释H 2 O2FCs的电化学性质。观察到 OCP 对 pH 值和 H 2 O2 浓度的明确依赖性。当 pH 值为 1 且 H 2 O2浓度为 0.25 mol 时，OCP 最高。与 pH 相关的 OCP 发现与先前的研究一致，表明 H 2O2 歧化和 FC 性能高度依赖于 pH 值18。低 pH 值有助于稳定 H 2O 2 溶液，因为 H 2 O 2可以看作是弱酸。可以清楚地观察到 H 2 O2在 pH 值高于 11 的碱性溶液中发生实质性化学分解。此外，根据 Nernst 方程18，OCP 通常随着电解质浓度的增加而增加。然而，与其他 FC 相比，H 2 O 2 FC 的 OCP 随着 H 2 O 2 浓度的增加而降低，尤其是使用 Au 电极19。据推测，这种观察结果是由于混合电位或有限的电极选择性造成的。浓度越高，化学分解速率越高，从而降低OCP。尽管如此，还需要进一步的研究来更详细地调查这一观察结果。
极化和功率输出曲线是使用特定的溶液和电镀圆条件获得的。使用特定的电镀圈条件（pH 1，H 2 O2浓度 1 mol，电镀圈 3200）在最佳条件下获得最大功率输出。使用最佳溶液条件，在最佳条件（pH 1，H 2 O 2 浓度2mol）下获得最大功率输出。该最大功率输出值明显高于非最优条件下获得的最大功率输出值，进一步凸显了优化电镀圈和溶液条件以实现高性能H 2 O2FCs的重要性。
H 2O2 FC 在连续 400 秒的测量期间，在最佳条件下表现出令人满意的稳定性。
泡沫镍电极和Au@CF电极的XRD分析17（FC性能测试前后）显示变化可以忽略不计，表明在最佳操作条件下，电极的耐腐蚀性令人满意。按照概述的方案，观察到的结果如图所示，并显示了H 2 O2FC与三维多孔电极的增强性能。
阳性结果：
如图4A所示，随着电镀循环次数的增加，功率和电流密度增加。这一观察结果归因于更多的金被镀在具有更大电镀周期的CF上，这为促进电化学反应提供了更具活性的材料。然而，FC性能的提高并不随电镀循环次数而成比例地增加。当电镀周期从 800 次增加到 1600 次时，电流和功率密度略有提高约 20%。这表明过度电镀可能导致形成包裹纳米金的层，从而降低传质效率。这一发现可以为催化剂制造的电镀方法提供有价值的见解。
图 4B 说明了 H 2 O2FC 在 pH 值为 1 的溶液中不同浓度下的开路电位 （OCP） 的耐久性。数据表明，该电极可以连续工作至少400秒而不会出现明显退化，显示了通过电镀制造的电极的坚固性。
有趣的是，H 2 O2FC在酸性和碱性介质中的OCP都超过了理论值，这表明设计的电极有效地催化了FC内的反应。发现 FC 的功率和电流输出随 H 2 O2浓度的增加而增加，在特定 pH 值下达到峰值。这一观察结果证实了电极的有效性，并强调了溶液pH和H 2 O2浓度对FC性能的影响。
图4C显示了最佳条件下FC的极化和功率密度曲线。在H 2 O 2浓度为2 M、pH值为1时，峰值功率密度约为0.8 W m-2，证明了三维多孔电极在促进燃料电池反应和提高功率输出方面的效率。
阴性结果：
另一方面，在过高的 H 2 O2 浓度下观察到次优结果。如图 4C 所示，H 2 O 2 浓度的增加超过最佳点不会导致性能的相应比例增加，这突显了 FC 运行存在理想的 H 2 O 2浓度，以平衡燃料使用和性能输出。例如，当H 2 O 2浓度从0.25 M增加到2 M的8倍时，最大功率密度从0.56 W m-2增加到0.81 W m-2，增加了约44%。
此外，还发现 FC 性能对溶液 pH 值敏感。在极端酸性和碱性条件下（pH 值低于 3 和高于 11），FC 的功率输出相对较高， 如图 4D 所示。
这些结果阐明了各种参数如何影响 H 2 O2 FC 的性能。随着化学成分的进一步优化和更具选择性的电催化剂的开发，这种前景广阔且环保的能源装置可以得到实际应用。表 1 显示了 FC 系统产生的有竞争力的燃料成本和能源20、21、22。
图 1：本研究的示意图。 （A） 单个无膜 FC 的集成示意图。（B） H 2 O2FC的工作原理。（C）电镀法在碳纤维布上预处理，电镀液为5 mM HAuCl4,1 M HCl，电镀程序。请点击这里查看此图的较大版本.
图2：1600圈电镀Au@CF的结构表征 。 （A）Au@CF的XRD结果。（B）电镀前CF的显微照片。（C）金沉积后CF的显微照片。（D，E）;（F，G）;（H，I）分别是电镀前、电镀后和性能测试后CF的SEM结果。比例尺：（D），20 μm;（E，G），1微米;（F，H，I），10微米。 请点击这里查看此图的较大版本.
图3：不同电镀圈下Au@CF显微照片和SEM结果。 （A） 从左到右分别Au@CF 0、800、1600、2400、3200电镀圈。（B-E）分别是800、1600、2400和3200电镀圈下Au@CF的SEM照片。比例尺：（B，D），10 μm;（C）， 2 μm;（E）， 3 μm. 请点击这里查看此图的较大版本.
图 4：FC 的性能表征。 （A） 在pH = 1，CHP = 1 M溶液中使用不同电镀圆圈（800、1600、2400、3200圆）的极化（左）和功率输出（右）曲线。（B） 不同H 2 O 2浓度（0.25 M、0.5 M、1 M、2 M H 2 O 2）在pH = 1溶液中，1600圈电镀Au@CF 400 s的OCP测试。 （C）不同H 2 O 2浓度（0.25 M、0.5 M、1 M、 2M），在pH = 1溶液中，并用1600圈电镀Au@CF。（D） 在 1M H 2O2 溶液和 1600 Au@CF 电镀圆圈下，在 pH = 1 至 13 的不同 pH 条件下的 OCP 和最大电流密度曲线。请点击这里查看此图的较大版本.
| 燃料 | 自由能 （kJ/mol） | 燃料成本 | 能源成本（$/kW） | 参考 |
| 氢 | -237 | 6.9 $/公斤 | 200 | 20 |
| NaBH4型 | -1273 | 55 $/公斤 | 10.2 | 21 |
| H2 O2 | -120 | 1.8 $/吨（散装） | 1.84 | 22 |
表1：燃料电池系统产生的燃料和能源的竞争成本。
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Discussion
除了溶液 pH 值和 H 2 O2浓度之外，有几个参数会显着影响无膜过氧化氢燃料电池的性能。电极材料的选择决定了电催化的活性和稳定性，而电极的表面积可以增强反应位点。工作温度影响反应动力学，反应物的流速可以决定燃料和氧化剂的混合效率。所用催化剂的浓度对反应速率至关重要，杂质会抑制或毒害催化剂。燃料电池的设计，包括电极间距和流道几何形状，会影响传质和动力学。电解质的类型和浓度会影响离子电导率，外部电路的电阻和设计会改变电流和功率密度等操作参数。此外，在特定催化剂存在下，H 2 O2分解的副产物氧的浓度也会影响电池的性能。优化这些参数对于无膜过氧化氢燃料电池的效率和耐久性至关重要7,8,9,10。
研究集中在为过氧化氢燃料电池（H 2 O2 FCs）量身定制的三维多孔电极的制备上，以及通过调节溶液参数来增强燃料电池的性能11,12。通过XRD分析和SEM成像证实了Au成功电镀到CF上。在最佳溶液条件下（pH 1，H 2 O 2 浓度 2 M），所得的三维多孔Au@CF电极在 H 2 O 2FCs 中表现出稳健的性能，在 1600 次电镀循环中实现了最佳性能比，如 OCP、功率输出和优越的稳定性所示。
这些结果对设计和开发用于H 2 O2FC的高效电极具有关键意义。三维多孔结构有望最大限度地增加与H 2 O 2燃料的接触面积，从而可能提高电化学反应速率并提高燃料电池的功率输出。 此外，Au@CF电极具有显着的耐腐蚀性，表明所选材料具有长期稳定运行H 2 O 2FC的潜力。
某些关键元素需要仔细考虑，以进一步提高具有三维多孔结构电极的 H 2 O2FC 的性能。其中最重要的是多孔电极的制造。适当的表面处理和孔径分布的调节至关重要，因为这些因素直接影响电极的电催化效率。此外，H 2 O2 浓度和溶液 pH 值的管理至关重要。如实验中观察到的那样，由于 H 2 O2浓度过高或不足，FC 的性能会降低，当溶液 pH 值偏离最佳范围时，也观察到类似的趋势。
为了提高 H 2 O2FC 在最佳条件下的性能，可能需要进行某些修改。例如，可以优化电极表面处理工艺，以实现更多样化的孔径范围，从而增强反应动力学。当未达到预期的功率输出时，可能需要特定的研究步骤，这可能涉及微调 H 2 O2浓度、调整 pH 值以及考虑其他参数，包括温度和压力，这些参数可能会影响 FC 的性能。
虽然新型电极的成功开发和FCs测试的可喜结果为H 2 O 2在清洁能源技术中的潜在应用铺平了道路，但还需要进一步的研究来改进电极的设计、选择性和表面积，以达到H 2 O2FC的实际应用。
在无膜 H 2 O2FC 中观察到的行为强调了 pH 动态和过氧化氢浓度之间错综复杂的相互作用。H 2 O2FC 的性能不仅取决于其电极设计，还深受电解质化学成分的影响。在最佳 pH 值和 H2 O2 浓度下，电化学反应得到促进，从而实现高效的电子转移和增强的功率输出。pH值的影响可归因于其在调节质子活性和系统氧化还原电位中的作用。平衡的pH值可确保阳极和阴极的电化学反应顺利进行，没有任何障碍13,14。另一方面，H 2 O2浓度直接影响反应物的可用性。最佳浓度可确保有稳定的 H供应 2O2 分子参与氧化还原反应，从而产生一致的电子流。然而，任何偏离这种平衡的偏差，无论是不平衡的pH值还是欠佳的H 2O2浓度，都会破坏电子流，导致性能下降。在极端的pH值下，催化剂的结构或活性可能会受到影响，或者副反应可能会占主导地位。同样，过低或过高的H 2 O2 浓度可能分别使反应匮乏或导致其饱和。从本质上讲，pH 值和过氧化物浓度之间的协同作用对于确定 H 2 O2FC 的效率至关重要。 未来的研究可能会更深入地理解这些参数，从而有可能从这些可持续能源设备中释放出更高的性能。
关键步骤
将金（Au）电镀到碳布上的过程是制造三维电极的基石。金层的质量、均匀性和厚度至关重要，因为它们直接影响电极的电化学属性。为该工艺选择的计时电流法技术具有确保金一致且均匀地沉积在布料上的优势。然而，在确定电镀循环次数时，必须取得微妙的平衡。过多的循环会导致金的过度涂层，这可能会损害碳纤维布固有的多孔性，从而影响其效率。H 2 O2溶液的制备是另一个需要精确度的关键步骤。H 2 O2溶液的 pH 值和浓度有助于确定 FC 的性能。该研究观察到这些参数与燃料电池的输出之间存在直接相关性，凸显了细致的溶液制备的重要性。
修改和故障排除
三维多孔电极的引入是一项重大改进，旨在增强电极与H 2 O2燃料之间的相互作用。这项设计创新背后的主要目标是加快电化学反应速率，从而增加功率和电流输出。然而，虽然设计很有前途，但电镀工艺可能需要进一步改进，以确保电极性能与预期结果保持一致。该研究强调了 FC 对 H 2 O2溶液的 pH 值和浓度的性能敏感性。任何偏离最佳参数都可能导致功率输出降低，甚至导致燃料电池运行不稳定。作为故障排除措施，微调这些参数可以纠正性能问题。
局限性
尽管取得了进步，但目前的 H 2O2 FC 技术仍存在一定的局限性。当与其他燃料电池技术并列时，H 2 O2FC 往往表现出较低的功率和电流输出。造成这种情况的主要原因是电极的催化选择性有限。H 2O 2 FC 的性能很大程度上取决于溶液的 pH 值和 H 2 O 2浓度。这种灵敏度意味着 FC 可以在一个相对较窄的操作窗口内提供最佳结果。
与现有方法相关的意义
H 2O 2 FC 的无膜结构与传统燃料电池有很大不同1、2、3、4。这种设计选择有效地规避了困扰传统燃料电池的几个挑战，例如与制造相关的高成本和设计中固有的复杂性。在这项研究中引入三维电极是一个游戏规则的改变者。通过促进增强的电化学反应动力学，这种电极设计有望实现 H 2 O2FC 的更高功率密度，使其有别于传统设计。
该技术的未来应用
除了在燃料电池中的应用外，三维电极还具有更广泛的潜力。它们可以集成到便携式能源系统中，甚至可以用作高表面积催化剂。这种多功能性可以促进适用于各种应用的紧凑高效能源设备的发展。H 2 O2FC的开创性工作对于全球从依赖化石燃料转向采用更环保的能源替代品至关重要。
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Disclosures
作者没有冲突要声明。
Acknowledgments
这项工作得到了国家关键技术研发计划（2021YFA0715302和2021YFE0191800）、国家自然科学基金（61975035和52150610489）和上海市科学技术委员会（22ZR1405000）的支持。
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 |
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