Summary
Denne protokol introducerer design og evaluering af innovative tredimensionelle elektroder til hydrogenperoxidbrændselsceller ved hjælp af Au-galvaniseret kulfiberklud og Ni-skumelektroder. Forskningsresultaterne fremhæver brintoveriltes potentiale som en lovende kandidat til bæredygtige energiteknologier.
Abstract
I en grundig undersøgelse af membranløse hydrogenperoxidbaserede brændselsceller (H2O2FC'er) påvises hydrogenperoxid (H2O2), en kulstofneutral forbindelse, at gennemgå elektrokemisk nedbrydning for at producereH2O, O2 og elektrisk energi. De unikke redoxegenskaber vedH2O2positionerer det som en levedygtig kandidat til bæredygtige energiapplikationer. Det foreslåede membranløse design adresserer begrænsningerne ved konventionelle brændselsceller, herunder fabrikationskompleksiteter og designudfordringer. En ny tredimensionel elektrode, syntetiseret via galvaniseringsteknikker, introduceres. Denne elektrode er konstrueret af Au-galvaniseret kulfiberklud kombineret med Ni-skum og viser forbedret elektrokemisk reaktionskinetik, hvilket fører til en øget effekttæthed forH2O2FC'er. Brændselscellernes ydeevne er tæt forbundet med elektrolytopløsningens pH-niveauer. Ud over FC-applikationer har sådanne elektroder potentiale i bærbare energisystemer og som katalysatorer med højt overfladeareal. Denne undersøgelse understreger betydningen af elektrodeteknik for optimering af potentialet i H 2 O2som en miljøvenlig energikilde.
Introduction
En brændselscelle er en elektrokemisk enhed, der bruger brændstof og oxidant til at omdanne kemikalier til elektrisk energi. FC'er har højere energikonverteringseffektivitet end traditionelle forbrændingsmotorer, da de ikke er bundet af Carnot-cyklus1. Ved at udnytte brændstoffer som brint (H 2)2, borhydrid-hydrogen (NaBH 4) 3 og ammoniak (NH 3) 4 er FC'er blevet en lovende energikilde, der er miljømæssigt ren og kan opnå høj ydeevne, hvilket giver et betydeligt potentiale for at reducere menneskets afhængighed af fossile brændstoffer. FC-teknologien står dog over for specifikke udfordringer. Et fremherskende problem er den interne rolle af en protonudvekslingsmembran (PEM) i FC-systemet, der fungerer som en beskyttelse mod interne kortslutninger. Integrationen af en elektrolytisk membran bidrager til øgede fabrikationsomkostninger, intern kredsløbsmodstand og arkitektonisk kompleksitet5. Desuden introducerer omdannelse af enkeltrums FC'er til multi-stack arrays yderligere komplikationer på grund af den indviklede proces med at integrere flowkanaler, elektroder og plader for at forbedre strøm- og strømudgange5.
I løbet af de seneste årtier er der gjort en samordnet indsats for at løse disse membranrelaterede udfordringer og strømline FC-systemet. Især fremkomsten af membranløse FC-konfigurationer, der bruger laminære co-flows ved lave Reynold-tal, har tilbudt en innovativ løsning. I sådanne opsætninger fungerer grænsefladen mellem to strømme som en "virtuel" protonledende membran6. Laminære flowbaserede FC'er (LFFC'er) er blevet undersøgt bredt og udnytter fordelene ved mikrofluidik 7,8,9,10. LFFC'er kræver imidlertid strenge betingelser, herunder høj energitilførsel til pumpning af laminære brændstoffer / oxidanter, afbødning af reaktantkrydsning i fluidiske strømme og optimering af hydrodynamiske parametre.
For nylig har H 2 O 2 fået interesse som et potentielt brændstof og oxidant på grund af dets kulstofneutrale natur, der giver vand (H 2 O) og ilt(O2) under elektrooxidation og elektroreduktionsprocesser ved elektroder11,12. H2O2kan masseproduceres ved hjælp af en to-elektronreduktionsproces eller ved en to-elektronoxidationsproces fra vand12. Derefter kan flydendeH2O2-brændstofi modsætning til andre gasformige brændstoffer integreres i eksisterende benzininfrastruktur 5. Desuden gør H2O2-disproportioneringsreaktionen det muligt at tjeneH2O2som bådebrændstof og oxidant. Figur 1A viser en skematisk struktur af en letkøbt H 2 O2FC's arkitektur. I sammenligning med traditionelle FC'er 2,3,4 udnytter H 2 O 2FC fordelene ved enhedens "enkelhed". Yamasaki et al. demonstrerede membranløseH2O2FC'er, der spillede rollen som både brændstof og oxidant. Den beskrevne mekanisme for elproduktion har inspireret forskningsmiljøer til at fortsætte denne forskningsretning6. Derefter er elektrooxidations- og elektroreduktionsmekanismer ved anvendelse afH2O2som brændstof og oxidant blevet repræsenteret ved følgende reaktioner 13,14
I de sure medier:
Anode: H 2 O 2 → O 2 +2H + + 2e -; Ea1 = 0,68 V mods. HUN
Katode: H 2 O 2 + 2H + + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. HUN
I alt: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
I de grundlæggende medier:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Anode: HO 2- + OH- → O 2 + H2O + 2e-; Eb1 = 0,15 V vs. HUN
Katode: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V vs. HUN
I alt: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Figur 1B illustrerer arbejdsprincippet for H2O2FC'er. H2O2donererelektroner ved anoden og accepterer elektroner ved katoden. Elektronoverførsel mellem anoden og katoden sker gennem et eksternt kredsløb, hvilket resulterer i generering af elektricitet. Det teoretiske åbne kredsløbspotentiale (OCP) forH2O2FCer 1,09 V i sure medier og 0,62 V i basiske medier13. Imidlertid har adskillige eksperimentelle resultater vist lavere værdier og nået op til 0,75 V i sure medier og 0,35 V i basiske medier sammenlignet med den teoretiske OCP. Denne observation kan tilskrives tilstedeværelsen af et blandet potentiale13. Derudover kan effekten og strømudgangen fra H 2 O 2 FC'er ikke konkurrere med de nævnte FC'er2,3,4 på grund af elektrodernes begrænsede katalytiske selektivitet. Ikke desto mindre er det bemærkelsesværdigt, at den nuværende H 2 O 2 FC-teknologi kan overgå H2, NaBH4 og NH3 FC'er med hensyn til samlede omkostninger, som vist i tabel 1. Således er den forbedrede katalytiske selektivitet af elektroder til H2O2-elektrooxidation og elektroreduktion fortsat en betydelig udfordring for disse enheder.
I denne undersøgelse introducerer vi en tredimensionel porøs strukturelektrode for at forbedre interaktionen mellem elektroden og H2O2-brændstoffet med det formål at øge reaktionshastigheden og forbedre effekt og strømudgang. Vi undersøger også virkningen af opløsningens pH- og H2O2-koncentration på FC's præstationer. Elektrodeparret, der anvendes i denne undersøgelse, består af en guldgalvaniseret kulfiberklud og nikkelskum. Strukturel karakterisering udføres ved hjælp af røntgendiffraktion (XRD) og scanningelektronmikroskopi (SEM) med Open Circuit Potential (OCP), polarisering og effektudgangskurver, der tjener som de primære parametre til FC-test.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forbehandling af materialer
BEMÆRK: Ni-skum (kommercielt tilgængeligt, se materialetabel) med 25 mm x 25 mm x 1,5 mm bruges til H 2 O2 FC's anode.
- Dyp Ni-skumprøven i alkohol og deioniseret (DI) vand, soniker i tre gange, 5 minutter i opløsningsmiddel og vand. Derefter anbringes Ni-skummet på et rent glassubstrat.
- Brug kulfiberkluden (se materialetabel) som katodesubstrat. Skær kulkluden i 25 mm x 25 mm firkantede stykker ved hjælp af en saks.
- Dyp carbonkludprøven i acetone, 75% alkohol, DI-vand og soniker tre gange i henholdsvis 5 min. Skyl derefter kulkluden med DI-vand for at fjerne rester af alkohol. Placer kulstofkluden på et glassubstrat.
BEMÆRK: Baseret på de diskuterede forskningsresultater15,16 er Au som katode og Ni som anode valgt som katalysatorer for H2O2FC'er. Metaller som Pt, Pd, Ni, Au og Ag har specifik katalytisk selektivitet over for H2O2-oxidations- eller reduktionsreaktion, hvilketgør dem egnede elektrodematerialer. Au@carbon fiberelektroden tilbyder en kombination af elektrokatalytisk aktivitet, stabilitet og forbedret ledningsevne, hvilket gør den til et passende valg til membranløse hydrogenperoxidbrændselsceller.
2. Galvanisering af Au på en kulklud
- Forbered reagenser til galvanisering som angivet af følgende: chloraurinsyre (HAuCl4), kaliumchlorid (KCl), saltsyre (HCI) og DI-vand (se materialetabel).
- Der fremstilles 80 ml opløsninger (baseret på bægerglassets volumen) i et rent bægerglas med 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl og 0,01 M HCl. Åbningen forsegles og omrøres i 15 minutter.
- Forbered galvaniseringsmaterialet kulstofklud og pletteringsopløsningen. Galvaniseringsprocessen drives af Electrochemical Station (ES) (se materialetabel).
BEMÆRK: Her vælges tre elektrodemetoder til plettering: carbonklud som arbejdselektrode (WE), grafitstang som modelektrode (CE) og Ag/AgCl (mættet 1 M KCl-opløsning) som referenceelektrode (RE). - Sørg for, at hver elektrode fastspænder den korrekte genstand. Dyp elektroder ned i pletteringsopløsningen.
- Start the ES. Indstil programmet til kronoamperometrimetoden, som vist i figur 1C. Sørg for, at en enkelt aflejringscirkel er som følger: arbejdspotentiale 0,1 V for 0,1 s og hvilepotentiale 0,2 V for 0,2 s. Som følge heraf diffunderer AuCl 4-ionen ensartet omkring WE.
- Indstil galvaniseringscirkler til 800, 1600, 2400 og 3200 cirkler. Kør programmet.
BEMÆRK: Typisk kan Chronoamperometry metodeprogrammet i ES ikke opnå 1600 cyklusser. Alternativt kan Multi-Potential Steps-programmet for ES også bruges til galvaniseringsmetoden, de samme valg som kronoamperometrimetoden (se producentens instruktioner).
- Indstil galvaniseringscirkler til 800, 1600, 2400 og 3200 cirkler. Kør programmet.
- Efter galvanisering lukkes ES, reagenserne pakkes, og der opsamles en AU-galvaniseret kulfiberklud (Au@CF).
- Dyp Au@CF i DI-vandet tre gange for at fjerne opløsningsresterne. Placer det på et glassubstrat til tørring i luften.
- Skær den ubelagte del af Au@CF forårsaget af klemmerne for at forhindre en del af CF i at komme i kontakt med løsninger.
- Mål størrelsen på Au@CF (a: længde, b: bredde) med en lineal til beregning af strøm-/effekttætheder.
3. Præstationskarakterisering af en FC
- Forbered opløsninger med to koncentrationer, en opløsning til pH-gradient (1 molH2O2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), mens den anden tilH2O2(C HP) gradient (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol, 2 mol).
- Karakteriser FC-ydelsen med ES med to elektroder til OCP og tre elektroder til polarisations- og effektudgangskurverne (trin 3.3-3.6).
- Vask Ni-skum igen og Au@CF igen med DI-vand to gange. Placer dem til side til standby.
- Få OCP-data under test af en FC: OCP er en væsentlig parameter i FC-ydeevnen.
- Brug Ni-skum som både RE og CE, og Au@CF som WE. Opløsningen tilsættes til bægerglasset. Tilslut elektroder til ES. Tænd for ES.
- Indstil programmet til Open Circuit Potential - Time Method; Spilletid: 400 sek., Prøveinterval: 0,1 sek., Høj E-grænse: 1 V, Lav E-grænse: -1 V. Kør programmet.
BEMÆRK: Det tager ofte tid for FC-outputtet at stabilisere sig. Kør målinger, indtil der opnås stabile FC-resultater. - Mål dataene. Luk programmet. Bægerglasset og elektroderne vaskes. Tilføj andre løsninger til specifikke tests.
- Test output ydeevne af FC baseret på OCP data. Her kræves kun originale LSV-kurvedata ( Linear Sweep Voltammetri ). Yderligere outputdata kan beregnes ud fra LSV-kurven.
- Vask Ni-skummet igen og Au@CF med DI-vand (gentag to gange). Brug Ni-skum som RE og CE, Au@CF som WE. Opløsningen tilsættes til bægerglasset.
- Indstil programmet til LSV, OCP som indledende E, 0 V som Final E, scanningshastighed som 0,01 V / s, svarende til betingelserne for åbent kredsløb (OCP) og kortslutning (0 V). Kør programmet.
- Indsaml dataene, luk programmet, vask bægerglasset og elektroderne, og tilføj andre nødvendige løsninger til specifikke tests.
- Vask elektroderne efter eksperimenter og opbevar dem på et glas.
BEMÆRK: Eksperimentdata kan gemmes i EXCEL-format.
4. Strukturel karakterisering af elektroder
BEMÆRK: XRD er en let og pålidelig metode til analyse af prøver. XRD tages for at detektere elementer af elektroderne, såsom galvaniseret Au på kulstofkluden. XRD-test udføres før og efter FC-karakterisering for at analysere potentiel korrosion og nedbrydning af elektroder. For eksempel kan Au-partikler løsne sig fra CF, og nikkelkorrosion kan forekomme i sure opløsninger5.
- Vask elektroderne med DI-vand (to gange) og tør dem i luften ved stuetemperatur.
- Skrab metaller på elektroderne af med pincet. Saml metalpulveret og læg det i en beholder.
- Udfør XRD-test17på metalpulverprøverne.
- Tag SEM for at karakterisere elektrodernes morfologi og undersøge infiltration og galvanisering mellem guld- og kulfiberkluden. Derudover karakteriserer korrosionen af nikkel af SEM.
5. Databehandling og beregning af effekt
- Alle data kan analyseres i EXCEL. Brug Excel eller Origin til at analysere data og afbilde eksperimentelle grafer.
- Brug OCP-dataene til at karakterisere elektrodernes selektivitet, f.eks. ved hjælp af en tabel eller en linjefigur. Brug gennemsnitligt potentiale for tabelforklaringer. Typisk bruges en linjefigur til at demonstrere stabiliteten af FC.
- Brug LSV-dataene til at karakterisere FC's outputydelse. Der er to kolonner med data i EXCEL-filen. Typisk viser det ene datasæt potentiale (U), og det andet er registreret strøm (I). Beregn effekten ved hjælp af følgende ligning: P = U × I
BEMÆRK: En høj strømværdi (I) viser en tilfredsstillende præstation af FC. For eksempel resulterer et stort elektrodeoverfladeareal i højere strømme. En normaliseret parameter, der henvises til FC'ernes ydeevne, er strømtæthed (I D), som er lig med strømmen divideret med elektrodernes overfladeareal (A): ID = I / A - Beregn derefter effekttætheden (PD) som: P D = U × ID
BEMÆRK:Det er vigtigt at tage den absolutte værdi, da foreløbige dataværdier kan være negative på grund af strømretningen, hvilket ikke er ønskeligt under målinger. - Sammenligning af parametre ved hjælp af U, I D og PD inden for et enkelt tal er ligetil. Tildel ID til x-aksen, U til venstre y-aksen og PD til højre y-aksen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Galvanisering resultater
Figur 2 viser galvaniseringsresultaterne. Figur 2A angiver røntgendiffraktionsresultatet. Figur 2B,C er mikrograferne. Figur 2D,E er SEM-resultater. Den effektive afsætning af guld (Au) på kulfiberkluden (CF) blev først bekræftet ved hjælp af den fysiske farveændring i kulfiberkluden fra sort til gylden gul, som vist i figur 2B, C. Yderligere verifikation opnås ved røntgendiffraktionsanalysen, som viste klare toppe ved 38,2°, 44,4°, 64,6° og 77,6° svarende til (111), (200), (220) og (311) krystalplanerne af ansigtscentreret kubisk (fcc) Au (PDF-kort nr. 04-0784), hvorved en vellykket galvanisering af Au på CF-substratet bekræftes.
Au-indholdet i Au@carbon fiberelektroden kan estimeres som følger: startende med 1 g HAuCl4; Det kan bruges til ca. 15 galvaniseringssessioner. Guldindholdet (mAu) fra 1 g HAuCl4 beregnes ved hjælp af formlen:
Ifølge estimering mAu = 0,58 g. Når den fordeles mellem de 15 sessioner, indeholder hver galvaniseringsopløsning følgende vægt af Au3+ ioner:
Det er dog vigtigt at bemærke, at ikke alle Au3+ ioner i opløsningen deponeres på kulfiberkluden under galvaniseringsprocessen. Derfor indeholder hver kulfiberklud mindre end 0,039 g Au.
SEM-billeder i figur 2D-Iindikerede en ensartet spredning af Au nanopartikler over kulfiberkluden. Bemærkelsesværdigt forblev CF's oprindelige tredimensionelle porøse struktur velbevaret efter galvanisering. Denne bevaring er afgørende, da den giver et stort overfladeareal til interaktion med H2O2-brændstoffet og derved forbedrer reaktionshastigheden og effekten.
Figur 3 illustrerer, at Au@CFs udsættes for et varierende antal galvaniseringscyklusser. Figur 3A fremhæver farveudviklingen af den AU-galvaniserede kulfiberklud. Farveovergangen fra CF's oprindelige sorte til Au's guld, som intensiverede fra lys til mørk, antyder en stigning i volumenet af Au, der blev deponeret på CF, da antallet af galvaniseringscyklusser steg. Yderligere støtte til denne konklusion kommer fra SEM-billederne, figur 3B-E, som afslører den udviklende fordeling af Au over kulfiberkluden.
H 2O2 FC ydeevne resultater
OCP af FC'erne blev målt for forskellige opløsnings pH- og H2O2-koncentrationer, hvilket hjælper med at fortolke de elektrokemiske egenskaber af H2O2FC'er. OCP's eksplicitte afhængighed af både pH- ogH2O2-koncentrationblev observeret. Den højeste OCP blev opnået ved en pH på 1 og enH2O2-koncentrationpå 0,25 mol. OCP-resultaterne relateret til pH stemmer overens med tidligere undersøgelser, der indikerer, at H2O2-disproportionering og FC-ydeevne er meget pH-afhængige18. En lav pH hjælper med at stabilisere H2O2-opløsninger, daH2O2kan ses som en svag syre. Den betydelige kemiske nedbrydning afH2O2i basiske opløsninger med pH over 11 kan tydeligt observeres. Desuden øges OCP ifølge Nernst ligning18 typisk, når koncentrationen af elektrolytter stiger. I modsætning til andre FC'er falder OCP for H2O2 FC'er imidlertid, nårH2O2-koncentrationenstiger, især ved anvendelse af Au-elektroder19. Det antages, at denne observation skyldes det blandede potentiale eller begrænsede elektrodeselektiviteter. En højere koncentration fører til en højere kemisk nedbrydningshastighed, hvilket reducerer OCP. Ikke desto mindre er der behov for yderligere forskning for at undersøge denne observation mere detaljeret.
Polariserings- og effektudgangskurver er opnået ved hjælp af specifikke opløsninger og galvaniseringscirkelbetingelser. Den maksimale effekt blev opnået under de optimale betingelser under anvendelse af specifikke galvaniseringscirkelbetingelser (pH 1,H2O2koncentration 1 mol, galvaniseringscirkel 3200). Under anvendelse af optimale opløsningsbetingelser blev den maksimale effekt opnået under de optimale betingelser (pH 1, H 2O 2 koncentration2 mol). Denne maksimale effektudgangsværdi er betydeligt højere end dem, der opnås med de ikke-optimale forhold, hvilket yderligere fremhæver vigtigheden af optimering af galvaniseringscirkler og opløsningsbetingelser for at opnå højtydende H2O2 FC'er.
H 2 O2FC'erne udviser tilfredsstillende stabilitet under optimale forhold under kontinuerlige 400 s målinger.
XRD-analyse17 af Ni-skum- og Au@CF-elektroderne (før og efter FC-præstationstestene) viste ubetydelige ændringer, hvilket indikerer tilfredsstillende korrosionsbestandighed af elektroderne under optimale driftsbetingelser. Efter den skitserede protokol illustreres observerede resultater og viser den forbedrede ydeevne af H2O2 FC med den tredimensionelle porøse elektrode.
Positivt resultat:
Som vist i figur 4A blev der observeret en stigning i effekt- og strømtætheder med et højere antal galvaniseringscyklusser. Denne observation tilskrives mere Au, der belægges på CF med større galvaniseringscyklusser, hvilket giver et mere aktivt materiale til at lette elektrokemiske reaktioner. FC-ydelsesforbedringen øges dog ikke proportionalt med antallet af galvaniseringscyklusser. En beskeden forbedring på ca. 20% i strøm- og effekttætheder blev registreret, da galvaniseringscyklusserne fordobledes fra 800 til 1600. Det foreslog, at overdreven galvanisering kan føre til dannelse af et lag, der indkapsler nano Au, og derved reducerer massetransporteffektiviteten. Dette fund kan give værdifuld indsigt i galvaniseringsmetoden til fremstilling af katalysatorer.
Figur 4B illustrerer holdbarheden af det åbne kredsløbspotentiale (OCP) forH2O2FCved forskellige koncentrationer i opløsninger med en pH-værdi på 1. Dataene indikerer, at elektroden kan fungere kontinuerligt i mindst 400 s uden væsentlig nedbrydning, hvilket viser robustheden af elektroder fremstillet gennem galvanisering.
Interessant nok overgik OCP forH2O2FC den teoretiske værdi i både sure og basiske medier, hvilket tyder på, at den designede elektrode effektivt katalyserer reaktioner inden for FC. FC's effekt og strømudgang viste sig at stige medH2O2-koncentrationog nåede et højdepunkt ved en specifik pH. Denne observation bekræfter elektrodens effektivitet og fremhæver indflydelsen af opløsningens pH ogH2O2-koncentrationpå FC-ydeevnen.
Figur 4C viser FC's polarisations- og effekttæthedskurver under optimale forhold. En maksimal effekttæthed på ca. 0,8 W m-2 blev opnået ved enH2O2-koncentrationpå 2 M og en pH-værdi på 1, hvilket demonstrerede effektiviteten af den tredimensionelle porøse elektrode til at lette FC's reaktioner og øge effekten.
Negativt resultat:
På den anden side blev suboptimale resultater observeret ved for høje H2O2-koncentrationer. Som vist i figur 4C resulterer en stigning i H2O2-koncentrationen ud over et optimalt punkt ikke i en tilsvarende proportional stigning i ydeevnen, hvilket understreger eksistensen af en ideelH2O2-koncentrationforFC-drift for at afbalancere brændstofforbrug og ydeevne. For eksempel steg den maksimale effekttæthed med ca. 44% fra 0,56 W m-2 til 0,81 W m-2, når H2O2-koncentrationen steg otte gange fra 0,25 M til 2 M.
Desuden viste FC-præstationen sig at være følsom over for opløsningens pH. Under ekstreme sure og basiske forhold (pH-værdier under 3 og over 11) var FC's effekt relativt høj, som det ses i figur 4D.
Disse resultater belyser, hvordan forskellige parametre påvirker ydeevnen forH2O2FC'er. Med yderligere optimering af den kemiske sammensætning og udviklingen af mere selektive elektrokatalysatorer kan denne lovende og miljøvenlige energienhed finde praktiske anvendelser. Tabel 1 viser de konkurrencedygtige brændstofomkostninger og den energi, der produceres på FC-systemerne20,21,22.
Figur 1: Skematisk gengivelse af denne undersøgelse. (A) Skematisk integration af en enkelt membranløs FC. (B) Et funktionsprincip i H 2 O2FC. (C) Processen med galvaniseringsmetode med forbehandling på kulfiberklud, galvaniseringsopløsning på 5 mM HAuCl4, 1 M HCl og galvaniseringsprogram. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Strukturel karakterisering af 1600 cirkler galvaniseret Au@CF. (A) XRD resultat af Au@CF. (B) Mikrografi af CF før galvanisering. (C) Mikrograf af CF efter Au-deponering. (D,E); (F,G) og (H,I) er SEM-resultater for CF henholdsvis før galvanisering, efter galvanisering og efter ydelsestest. Skalastænger: (D), 20 μm; (E,G), 1 μm; (F,H,I), 10 μm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Mikrograf- og SEM-resultater af Au@CF under forskellige galvaniseringscirkler. (A) Fra venstre mod højre er 0, 800, 1600, 2400 og 3200 galvaniseringscirkler Au@CF. (B-E) er SEM-billeder af Au@CF under henholdsvis 800, 1600, 2400 og 3200 galvaniseringscirkler. Skalastænger: (B,D), 10 μm; (C), 2 μm; (E), 3 μm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Ydelseskarakterisering af FC. (A) Polariseringskurver (venstre) og udgangseffekt (højre) ved hjælp af forskellige galvaniseringscirkler (800, 1600, 2400, 3200 cirkler) i pH = 1, CHP = 1 M opløsninger. (B) OCP-test under forskellige H2O2-koncentrationer (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H2O2) i pH = 1-opløsninger og med 1600 cirkler galvaniseret Au@CF i 400 s. (C) Polariseringskurve (venstre) og udgangseffekt (højre) under forskelligeH2O2-koncentrationer(0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2M) i pH = 1 opløsninger og med 1600 cirkler galvaniseret Au@CF. D) OCP-kurver og kurver for maksimal strømtæthed under forskellige pH-betingelser fra pH = 1 til 13 i 1 M H2O2-opløsninger og med 1600 Au@CF galvaniserede cirkler. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Brændstoffer | Fri energi (kJ/mol) | Brændstof omkostninger | Energiomkostninger($/kW) | Henvisning |
| Brint | -237 | 6.9 $/kg | 200 | 20 |
| NaBH4 | -1273 | 55 $/kg | 10.2 | 21 |
| H 2O2 | -120 | 1,8 $/ton (bulk) | 1.84 | 22 |
Tabel 1: Konkurrencedygtige omkostninger ved brændstoffer og omkostninger til energi produceret på FC-systemerne.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Flere parametre påvirker signifikant ydeevnen af en membranløs hydrogenperoxidbrændselscelle ud over opløsningens pH- ogH2O2-koncentration. Valget af elektrodemateriale dikterer elektrokatalytisk aktivitet og stabilitet, mens elektrodens overfladeareal kan forbedre reaktionsstederne. Driftstemperaturen påvirker reaktionskinetikken, og strømningshastigheden af reaktanter kan bestemme blandingseffektiviteten af brændstof og oxidant. Koncentrationen af enhver anvendt katalysator er afgørende for reaktionshastigheder, og urenheder kan hæmme eller forgifte katalysatoren. Brændselscellens design, herunder elektrodeafstand og flowkanalgeometri, påvirker massetransport og kinetik. Typen og koncentrationen af elektrolyttens indflydelse ionisk ledningsevne og det eksterne kredsløbs modstand og design kan ændre driftsparametre som strøm og effekttæthed. Derudover kan koncentrationen af oxygen, et biprodukt afH2O2-nedbrydningi nærvær af specifikke katalysatorer, også spille en rolle i cellens ydeevne. Optimering af disse parametre er afgørende for effektiviteten og holdbarheden af membranløse hydrogenperoxidbrændselsceller 7,8,9,10.
Undersøgelsen var koncentreret om fremstillingen af en tredimensionel porøs elektrode, der er skræddersyet til hydrogenperoxidbrændselsceller (H2O2FC'er), og forbedringen af brændselscellens ydeevne gennem regulering af opløsningsparametrene11,12. Den vellykkede galvanisering af Au på CF blev bekræftet ved hjælp af XRD-analyse og SEM-billeddannelse. Den resulterende tredimensionelle porøse Au@CF elektrode udviste robust ydeevne iH2O2FC'erunder optimale opløsningsbetingelser (pH 1,H2O2-koncentration2 M), og et optimalt ydelsesforhold blev opnået ved 1600 galvaniseringscyklusser, som angivet ved OCP, effekt og overlegen stabilitet.
Disse resultater har afgørende konsekvenser for design og udvikling af effektive elektroder til H2O2 FC'er. Den tredimensionelle porøse struktur er klar til at maksimere kontaktområdet med H2O2-brændstoffet, hvilket potentielt forbedrer den elektrokemiske reaktionshastighed og øger FC'ernes effekt. Derudover antyder Au@CF-elektrodens bemærkelsesværdige korrosionsbestandighed, at de valgte materialer har potentiale for langsigtet, stabil drift afH2O2FC'er.
Visse kritiske elementer kræver omhyggelig overvejelse for yderligere at forbedre ydeevnen for H 2 O2FC'er med en tredimensionel porøs strukturelektrode. Først og fremmest blandt disse er fremstillingen af den porøse elektrode. Korrekt overfladebehandling og regulering af porestørrelsesfordelingen er af største betydning, da disse faktorer direkte påvirker elektrodens elektrokatalytiske effektivitet. Desuden er styringen afH2O2-koncentrationenog opløsningens pH kritisk. FC's ydeevne kan reduceres på grund af overdreven eller utilstrækkeligH2O2-koncentration, som observeret i forsøgene, og en lignende tendens blev observeret, når opløsningens pH afveg fra det optimale område.
For at forbedre ydeevnen af H 2 O2FC under optimale forhold kan visse ændringer være berettigede. For eksempel kan elektrodeoverfladebehandlingsprocessen optimeres for at opnå et mere forskelligartet udvalg af porestørrelser, hvilket kan forbedre reaktionskinetikken. Når den forventede effekt ikke opnås, kan der være behov for specifikke forskningstrin, som kan indebære finjusteringafH2O2-koncentrationen, justering af pH og overvejelse af andre parametre, herunder temperatur og tryk, som kan påvirke FC'ernes ydeevne.
Mens den vellykkede udvikling af den nye elektrode og de lovende resultater fra FCs test baner vejen for potentielle anvendelser af H 2 O 2 iren energiteknologi, er yderligere forskning berettiget til at forfine elektrodens design, selektivitet og overfladeareal mod H 2 O 2FC praktiske anvendelser.
Den observerede opførsel i membranløse H2O2FC'er understreger det indviklede samspil mellem pH-dynamik og hydrogenperoxidkoncentration. Udførelsen af H 2 O2FC'er er ikke kun en funktion af dens elektrodedesign, men er dybt påvirket af elektrolyttens kemiske sammensætning. Ved en optimal pH- ogH2O2-koncentrationlettes de elektrokemiske reaktioner, hvilket fører til effektiv elektronoverførsel og forbedret effekt. Indflydelsen af pH kan tilskrives dens rolle i modulering af protonaktiviteten og systemets redoxpotentiale. En afbalanceret pH-værdi sikrer, at de elektrokemiske reaktioner ved både anoden og katoden forløber jævnt uden hindringer13,14. På den anden side påvirker H2O2-koncentrationen direkte tilgængeligheden af reaktanter. En optimal koncentration sikrer, at der er en stabil forsyning afH2O2-molekylertil at deltage i redoxreaktionerne og derved generere en konsistent strøm af elektroner. Enhver afvigelse fra denne ligevægt, enten en ubalanceret pH eller en suboptimal H2O2-koncentration, kan imidlertidforstyrre elektronstrømmen, hvilket fører til nedsat ydeevne. Det er plausibelt, at katalysatorens struktur eller aktivitet kan blive kompromitteret ved ekstreme pH-niveauer, eller bivirkninger kan blive dominerende. På samme måde kan for lave eller for højeH2O2-koncentrationerenten sulte reaktionen eller føre til dens mætning. I det væsentlige er synergien mellem pH og peroxidkoncentration afgørende for at bestemme effektiviteten afH2O2FC'er. Fremtidig forskning kan muligvis præcisere dybere forståelse af disse parametre og potentielt frigøre endnu større ydeevne fra disse bæredygtige energienheder.
Kritiske trin
Processen med galvanisering af guld (Au) på kulstofklud er en hjørnesten i fremstillingen af de tredimensionelle elektroder. Guldlagets kvalitet, ensartethed og tykkelse er altafgørende, da de direkte påvirker elektrodens elektrokemiske egenskaber. Kronoamperometriteknikken, som blev valgt til denne proces, giver fordelen ved at sikre en ensartet og jævn afsætning af guld på kluden. Der skal dog findes en hårfin balance ved bestemmelse af antallet af galvaniseringscyklusser. For mange cyklusser fører til en overbelægning af guld, hvilket kan kompromittere kulfiberkludens iboende porøse natur og derved påvirke dens effektivitet. Fremstillingen afH2O2-opløsningener et andet kritisk trin, der kræver præcision. PH-niveauet og koncentrationen afH2O2-opløsningener medvirkende til at bestemme FC's ydeevne. Forskningen observerede en direkte sammenhæng mellem disse parametre og FC's output, hvilket fremhævede vigtigheden af omhyggelig forberedelse af opløsningen.
Ændringer og fejlfinding
Indførelsen af en tredimensionel porøs elektrode var en signifikant modifikation med det formål at forbedre interaktionen mellem elektroden og H2O2-brændstoffet. Det primære mål bag denne designinnovation var at accelerere den elektrokemiske reaktionshastighed og derved øge både effekt og strømudgang. Selvom designet er lovende, kan galvaniseringsprocessen dog nødvendiggøre yderligere forbedringer for at sikre, at elektrodeegenskaberne stemmer overens med de ønskede resultater. Forskningen understregede FC's præstationsfølsomhed over for H2O2-opløsningens pH og koncentration. Eventuelle afvigelser fra de optimale parametre kan føre til nedsat effekt eller endda ustabilitet i FC's drift. Som en fejlfindingsforanstaltning kan finjustering af disse parametre afhjælpe ydeevneproblemer.
Begrænsninger
På trods af fremskridtene har den nuværende H2 O2 FC-teknologi visse begrænsninger. Når de sammenstilles med andre brændselscelleteknologier, har H 2O2 FC'erne tendens til at udvise lavere effekt- og strømudgange. En primær årsag til dette er elektrodernes begrænsede katalytiske selektivitet. H2O2FC's ydeevne afhænger i høj grad af opløsningens pH- ogH2O2-koncentration. Denne følsomhed indebærer, at der er et relativt smalt driftsvindue, inden for hvilket FC kan levere optimale resultater.
Betydning i forhold til eksisterende metoder
H 2 O 2 FC's membranløse arkitektur adskiller sig væsentligt fra konventionelle brændselsceller 1,2,3,4. Dette designvalg omgår effektivt flere udfordringer, der plager traditionelle FC'er, såsom de høje omkostninger forbundet med fremstilling og kompleksiteten i deres design. Indførelsen af en tredimensionel elektrode i denne forskning er en game-changer. Ved at lette forbedret elektrokemisk reaktionskinetik har dette elektrodedesign løftet om at opnå højere effekttætheder forH2O2FC'er, hvilket adskiller dem fra konventionelle designs.
Fremtidige anvendelser af teknikken
Ud over deres anvendelse i brændselsceller har de tredimensionelle elektroder et bredere potentiale. De kan integreres i bærbare energisystemer eller endda anvendes som katalysatorer med højt overfladeareal. En sådan alsidighed kan katalysere udviklingen af kompakte og effektive energienheder, der er egnede til forskellige applikationer. Det banebrydende arbejde med H 2 O2FC'er er afgørende i det globale skift fra afhængighed af fossile brændstoffer til vedtagelse af mere miljøvenlige energialternativer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfattere har ingen konflikter at erklære.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af National Key Technologies R&D Program of China (2021YFA0715302 og 2021YFE0191800), National Natural Science Foundation of China (61975035 og 52150610489) og Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (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).
