本方案介绍了利用金电镀碳纤维布和镍泡沫电极设计并评估过氧化氢燃料电池用新型三维电极的方法。研究结果表明，过氧化氢在可持续能源技术中具有广阔的应用前景。
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本文内容
摘要
摘要
在对无膜过氧化氢燃料电池（H2O2 FCs）的深入研究中，展示了过氧化氢（H2O2）——一种碳中性化合物——可通过电化学分解生成 H2O、O2 和电能。H2O2 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物质。所提出的无膜设计克服了传统燃料电池在制造复杂性和结构设计方面的局限性。本研究介绍了一种通过电镀技术制备的新型三维电极，该电极由金电镀碳纤维布与镍泡沫复合而成，展现出增强的电化学反应动力学，从而提高了 H2O2 燃料电池的功率密度。燃料电池的性能与电解质溶液的 pH 值密切相关。除燃料电池应用外，此类电极在便携式能源系统中以及作为高比表面积催化剂方面也具有应用潜力。本研究强调了电极工程在优化 H2O2 作为环境友好型能源潜力中的关键作用。
引言
燃料电池是一种电化学装置，利用燃料和氧化剂将化学物质转化为电能。由于不受卡诺循环的限制，燃料电池的能量转换效率高于传统燃烧发动机1。通过使用氢气（H2）2、硼氢化钠-氢气（NaBH4）3和氨（NH3）4等燃料，燃料电池已成为一种环境友好且高性能的能源，具有显著降低人类对化石燃料依赖的潜力。然而，燃料电池技术仍面临一些挑战。其中一个普遍存在的问题是质子交换膜（PEM）在燃料电池系统中的内部作用，该膜可防止内部短路。电解质膜的引入增加了制造成本、内电路电阻以及结构复杂性5。此外，将单室燃料电池转化为多堆叠阵列时，由于需要复杂地集成流道、电极和极板以提高功率和电流输出，会带来额外的技术难题5。
在过去几十年中，人们为解决这些与膜相关的问题并简化燃料电池系统做出了协同努力。值得注意的是，在低雷诺数条件下利用层流共流所形成的无膜燃料电池构型应运而生，提供了一种创新的解决方案。在此类装置中，两股流体之间的界面充当"虚拟"质子传导膜6。基于层流的燃料电池（LFFC）已被广泛研究，....
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方案
1. 材料预处理
注意：过氧化氢燃料电池（H2O2 FC）的阳极使用尺寸为 25 mm × 25 mm × 1.5 mm 的镍泡沫（可商业获得，参见材料表）。
- 将镍泡沫样品浸入酒精和去离子水（DI水）中，分别在溶剂和水中各超声处理5分钟，重复三次。随后，将镍泡沫置于洁净的玻璃基底上。
- 使用碳纤维布（参见 材料表）作为阴极基底。使用剪刀将碳布裁剪成 25 mm × 25 mm 的正方形小片。
- 将碳布样品依次浸入丙酮、75%乙醇和去离子水中，每种溶剂中超声处理5分钟，共超声三次。然后用去离子水冲洗碳布，以去除残留的乙醇。将碳布放置在玻璃基底上。
注意：根据上述研究结果15,16，选择金（Au）作为阴极，镍（Ni）作为阳极，用作催化氢反应的催化剂2O2 FCs。Pt、Pd、Ni、Au 和 Ag 等金属对 H 具有特定的催化选择性2O2 氧化或还原反应，使其成为合适的电极材料。Au@碳纤维电极兼具电催化活性、稳定性和增强的导电性，适用于无膜过氧化氢....
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结果
电镀结果
图2 显示了电镀结果。图2A 为X射线衍射结果。图2B、C 为显微图像。图2D、E 为扫描电镜（SEM）结果。首先通过碳纤维布（CF）从黑色变为金黄色的宏观颜色变化，确认了金（Au）在碳纤维布上的有效沉积，如图2B、C 所示。进一步通过X射线衍射分析验证，结果显示在38.2°、44.4°、64.6°和77.6°处出现明显衍射峰，分别对应面心立方结构（fcc）金的（111）、（200）、（220）和（311）晶面（PDF卡片号：04-0784），从而证实了金成功电镀至CF基底上。
Au@碳纤维电极中金的含量可按如下方法估算：以1 g HA.......
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讨论
除溶液pH值和H2O2浓度外，多个参数显著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活性和稳定性，而电极的表面积可增加反应位点。操作温度影响反应动力学，反应物的流速则决定燃料与氧化剂的混合效率。所用催化剂的浓度对反应速率至关重要，而杂质可能抑制或毒化催化剂。燃料电池的设计，包括电极间距和流道几何结构，会影响传质过程和反应动力学。电解质的种类和浓度影响离子导电性，而外电路的电阻和设计可改变电流密度和功率密度等运行参数。此外，在特定催化剂存在下，H2O2分解产生的副产物氧气的浓度也可能影响电池性能。优化这些参数对于提高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。
本研究聚焦于为过氧化氢燃料电池（H2
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本工作由国家关键技术研究与开发计划资助&中国国家重点研发计划（2021YFA0715302 和 2021YFE0191800）、国家自然科学基金（61975035 和 52150610489）以及上海市科学技术委员会（22ZR1405000）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙酮 | Merck & Co. Inc. (MRK) | 67-64-1 | 材料预处理用溶液 |
| 乙醇 | Merck & Co. Inc. (MRK) | 64-17-5 | 材料预处理用溶液 |
| 碳纤维布 | Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd. | W0S1011 | 电镀方法的基底材料 |
| 电化学工作站 | 上海辰华仪器有限公司 | CHI600E | 用于电镀方法及燃料电池性能表征的设备 |
| 三水合氯化金 | 上海阿拉丁生化科技股份有限公司 | G141105-1g | 电镀方法的主要溶质 |
| 盐酸 | 国药集团化学试剂有限公司 | 10011018 | 调节溶液pH |
| 过氧化氢 | 国药集团化学试剂有限公司 | 10011208 | 电池燃料 |
| 泡沫镍 | Willtek photoelectric materials co.ltd(中国苏州) | KSH-2011 | 过氧化氢燃料电池的阳极材料 |
| 氯化钾 | 上海阿拉丁生化科技股份有限公司 | 10016308 | 电镀方法的添加剂 |
| 扫描电子显微镜 | 卡尔蔡司股份公司 | EVO 10 | 样品的结构表征 |
| 氢氧化钠 | 国药集团化学试剂有限公司 | 10019718 | 调节溶液pH |
| X射线衍射仪 | Bruker Corporation | D8 Advance | 样品的结构表征 |
参考文献
- 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....
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重印与许可
