Name: תאי דלק ללא מי חמצן כמקור אנרגיה נקי מבטיח (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 39 s
Description: למד שיטת ציפוי אלקטרוליטי לייצור אלקטרודות תלת-ממדיות לתאי דלק מימן חמצני באמצעות סיבי פחמן מצופים זהב. המחקר מדגיש את השפעת ה-pH על ביצועי התא ומציע פתרון אנרגיה נקי ויעיל.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית המו"פ הלאומית לטכנולוגיות מפתח של סין (2021YFA0715302 ו- 2021YFE0191800), הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (61975035 ו- 52150610489), וועדת המדע והטכנולוגיה של עיריית שנחאי (22ZR1405000).

1. עיבוד מראש של חומרים
הערה: Ni-foam (זמין מסחרית, ראה טבלת חומרים) עם 25 מ"מ x 25 מ"מ x 1.5 מ"מ משמש עבור האנודה של H 2 O2FC.
<ol><li>יש לטבול את דגימת ה-Ni-foam באלכוהול ובמים שעברו דה-יוניזציה (DI), לסוניק במשך שלוש פעמים, 5 דקות בממס ובמים. לאחר מכן, מניחים את קצף ה- Ni על מצע זכוכית נקי.</li>
	<li>השתמשו בבד סיבי הפחמן (ראו טבלת חומרים) כמצע קתודי. חותכים את בד הפחמן לחתיכות מרובעות בגודל 25 מ"מ x 25 מ"מ באמצעות מספריים.</li>
	<li>יש לטבול את דגימת בד הפחמן באצטון, 75% אלכוהול, מי DI ולבצע סוניקציה שלוש פעמים למשך 5 דקות, בהתאמה. לאחר מכן, שטפו את בד הפחמן במי DI כדי להסיר שאריות אלכוהול. הניחו את בד הפחמן על מצע זכוכית. הערה: בהתבסס על תוצאות המחקר הנדון15,16, Au כקתודה ו- Ni כאנודה נבחרו כזרזים עבור H 2 O 2 FCs. למתכות כמו Pt, Pd, Ni, Au ו- Ag יש סלקטיביות קטליטית ספציפית כלפי H 2 O2 חמצון או תגובת חיזור, מה שהופך אותם לחומרי אלקטרודה מתאימים. אלקטרודת הסיב Au@carbon מציעה שילוב של פעילות אלקטרוקטליטית, יציבות ומוליכות משופרת, מה שהופך אותה לבחירה מתאימה לתאי דלק ללא מי חמצן.</li>
</ol>2. ציפוי אלקטרוליטי של Au על בד פחמן
<ol><li>הכינו ריאגנטים לציפוי אלקטרוליטי כפי שניתן על ידי הגורמים הבאים: חומצה כלורואורית (HAuCl4), אשלגן כלורי (KCl), חומצה הידרוכלורית (HCl) ומי DI (ראו טבלת חומרים).</li>
	<li>הכינו תמיסות של 80 מ"ל (בהתאם לנפח הכד) בכד נקי עם 0.005 M HAuCl4, 0.1 M KCl ו-0.01 M HCl. אטמו את הפתח וערבבו את התמיסה למשך 15 דקות.</li>
	<li>הכינו את חומר הציפוי החשמלי, בד הפחמן ותמיסת הציפוי. תהליך הציפוי החשמלי מנוהל על ידי תחנה אלקטרוכימית (ES) (ראה טבלת חומרים). הערה: שלוש שיטות אלקטרודות נבחרות כאן לציפוי: בד פחמן כאלקטרודת העבודה (WE), מוט גרפיט כאלקטרודת הנגד (CE), ו- Ag/AgCl (תמיסת KCl רוויה של 1 M M) כאלקטרודת הייחוס (RE).</li>
	<li>ודא שכל אלקטרודה מהדקת את האובייקט הנכון. טבלו אלקטרודות בתמיסת הציפוי.</li>
	<li>הפעל את ES. הגדר את התוכנית לשיטת הכרונואמפרומטריה, כפי שמוצג באיור 1C. ודא שמעגל הפקדה יחיד הוא כדלקמן: פוטנציאל עבודה 0.1 V עבור 0.1 שניות ופוטנציאל מנוחה 0.2 V עבור 0.2 שניות. כתוצאה מכך, יון AuCl4 מתפזר באופן אחיד סביב ה-WE.<ol><li>הגדר מעגלי ציפוי אלקטרוליטי במעגלים של 800, 1600, 2400 ו- 3200. הפעל את התוכנית. הערה: בדרך כלל, תוכנית שיטת הכרונואמפרומטריה ב- ES אינה יכולה להשיג 1600 מחזורים. לחלופין, ניתן להשתמש בתוכנית Multi-Potential Steps של ES גם עבור שיטת הציפוי החשמלי, אותן בחירות כמו שיטת הכרונואמפרומטריה (ראה הוראות יצרן).</li>
	</ol></li>
	<li>לאחר ציפוי חשמלי, סגור את ES, ארוז את הריאגנטים ואסוף בד סיבי פחמן Au electroplated (Au@CF).</li>
	<li>טבלו את Au@CF במי DI שלוש פעמים כדי להסיר את שאריות התמיסה. מניחים אותו על מצע זכוכית לייבוש באוויר.</li>
	<li>חתכו את החלק הלא מצופה של Au@CF שנגרם על ידי מלחציים כדי למנוע מחלק של CF ליצור קשר עם תמיסות.</li>
	<li>מדוד את גודל Au@CF (a: אורך, b: width) עם סרגל לחישוב צפיפות זרם/הספק.</li>
</ol>3. אפיון ביצועים של FC
<ol><li>הכינו תמיסות עם שני ריכוזים, תמיסה אחת עבור שיפוע pH (1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), ואילו השנייה עבור שיפוע H 2 O 2 (CHP) (pH = 1, CHP = 0.25 mol, 0.5 mol, 1 mol,2 mol).</li>
	<li>אפיין את ביצועי FC על ידי ES עם שתי אלקטרודות עבור OCP ושלוש אלקטרודות עבור עקומות הקיטוב ותפוקת הכוח (שלבים 3.3-3.6).</li>
	<li>יש לשטוף שוב את Ni-foam ו Au@CF שוב עם מי DI פעמיים. הניחו אותם בצד למצב המתנה.</li>
	<li>קבלת נתוני OCP במהלך הבדיקה של FC: OCP הוא פרמטר חיוני בביצועי FC.<ol><li>השתמש Ni-קצף כמו RE ו CE, Au@CF כמו WE. הוסף את הפתרון לכוס הבדיקה. חבר אלקטרודות ל- ES. הפעל את ES.</li>
		<li>הגדר את התוכנית לפוטנציאל מעגל פתוח - שיטת זמן; זמן ריצה: 400 שניות, מרווח לדוגמה: 0.1 שניות, מגבלת E גבוהה: 1 V, מגבלת E נמוכה: -1 V. הפעל את התוכנית. הערה: לעתים קרובות לוקח זמן לפלט FC להתייצב. הפעל מדידות עד לקבלת תוצאות FC יציבות.</li>
		<li>מדוד את הנתונים. סגור את התוכנית. לשטוף את הכד ואת האלקטרודות. הוסף פתרונות אחרים עבור בדיקות ספציפיות.</li>
	</ol></li>
	<li>ביצועי פלט הבדיקה של FC מבוססים על נתוני OCP. כאן, נדרשים רק נתוני עקומת וולטמטריה ליניארית (LSV) מקוריים. ניתן לחשב נתוני פלט נוספים מעקומת LSV.<ol><li>יש לשטוף מחדש את Ni-foam ו-Au@CF במי DI (לחזור על הפעולה פעמיים). השתמש Ni-קצף כמו RE ו CE, Au@CF כמו WE. הוסף את הפתרון לכוס הבדיקה.</li>
		<li>הגדר את התוכנית ל- LSV, OCP כ- E ראשוני, 0 V כ- E סופי, קצב סריקה כ- 0.01 V/s, המתאים לתנאים של מעגל פתוח (OCP) וקצר חשמלי (0 V). הפעל את התוכנית.</li>
		<li>אספו את הנתונים, סגרו את התוכנית, שטפו את הכד והאלקטרודות והוסיפו פתרונות נדרשים אחרים לבדיקות ספציפיות.</li>
	</ol></li>
	<li>שטפו את האלקטרודות לאחר ניסויים ואחסנו אותן על. הערה: ניתן לאחסן נתוני ניסוי בתבנית EXCEL.</li>
</ol>4. אפיון מבני של אלקטרודות
הערה: XRD היא שיטה קלה ואמינה לניתוח דגימות. XRD נלקח כדי לזהות אלמנטים של אלקטרודות, כגון Au electroplated על בד פחמן. בדיקות XRD נעשות לפני ואחרי אפיון FC כדי לנתח קורוזיה פוטנציאלית והשפלה של אלקטרודות. לדוגמה, חלקיקי Au יכולים להתנתק מ-CF, וקורוזיית ניקל עשויה להתרחש בתמיסות חומציות5.
<ol><li>שטפו את האלקטרודות במי DI (פעמיים) וייבשו אותן באוויר בטמפרטורת החדר.</li>
	<li>מגרדים מתכות על האלקטרודות עם פינצטה. אספו את אבקת המתכת והניחו אותה במיכל.</li>
	<li>בצע בדיקות XRD17על דגימות אבקת המתכת.</li>
	<li>קח SEM כדי לאפיין את המורפולוגיה של האלקטרודות ולחקור חדירה וציפוי אלקטרוליטי בין בד הזהב וסיבי פחמן. בנוסף, לאפיין את הקורוזיה של ניקל על ידי SEM.</li>
</ol>5. עיבוד נתונים וחישוב תפוקת חשמל
<ol><li>ניתן לנתח את כל הנתונים ב- EXCEL. השתמש ב- Excel או במקור כדי לנתח נתונים ולהתוות גרפים ניסיוניים.</li>
	<li>השתמש בנתוני OCP כדי לאפיין את הסלקטיביות של אלקטרודות, לדוגמה, באמצעות טבלה או איור קו. השתמש בפוטנציאל ממוצע עבור מקרא טבלה. בדרך כלל, דמות קו משמש כדי להדגים את היציבות של FC.</li>
	<li>השתמש בנתוני LSV כדי לאפיין את ביצועי הפלט של FC. קיימות שתי עמודות נתונים בקובץ EXCEL. בדרך כלל, ערכת נתונים אחת מציגה פוטנציאל (U), והשנייה נרשמת נוכחית (I). חשב את תפוקת החשמל באמצעות המשוואה הבאה: P = U × I הערה: ערך זרם גבוה (I) מציג ביצועים משביעי רצון של FC. לדוגמה, שטח פנים גדול של אלקטרודה גורם לזרמים גבוהים יותר. פרמטר מנורמל המתייחס לביצועים של FCs הוא צפיפות הזרם (I D), השווה לזרם חלקי שטח הפנים (A) של האלקטרודות: ID = I/A</li>
	<li>לאחר מכן, חשב את צפיפות הכוח (PD) כ: P D = U × ID הערה: חיוני לקחת את הערך המוחלט, מכיוון שערכי נתונים ראשוניים עשויים להיות שליליים בגלל כיוון הזרם, שאינו רצוי במהלך מדידות.</li>
	<li>השוואת פרמטרים באמצעות U, I D ו- PD בתוך נתון אחד היא פשוטה. הקצה את ID לציר x, U לציר y השמאלי ואת PD לציר y הימני.</li>
</ol>

חקר אלקטרודות תלת-ממד חדשניות עבור תאי דלק של מי חמצן

<ol><li>Sazali, N., Wan Salleh, W. N., Jamaludin, A. S., Mhd Razali, M. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+perspectives+on+fuel+cell+technology%3A+A+brief+review%5BTitle%5D)+AND+%22Membranes%22%5BJournal%5D)">New perspectives on fuel cell technology: A brief review.</a> Membranes. 10 (5), 99(2020).</li>
<li>Singla, M. K., Nijhawan, P., Oberoi, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+fuel+and+fuel+cell+technology+for+cleaner+future%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+and+Pollution+Research+International%22%5BJournal%5D)">Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review.</a> Environmental Science and Pollution Research International. 28 (13), 15607-15626 (2021).</li>
<li>Cao, D., Chen, D., Lan, J., Wang, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+alkaline+direct+NaBH4-H2O2+fuel+cell+with+high+power+density%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">An alkaline direct NaBH4-H2O2 fuel cell with high power density.</a> Journal of Power Sources. 190 (2), 346-350 (2009).</li>
<li>Lan, R., Tao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ammonia+as+a+suitable+fuel+for+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Energy+Research%22%5BJournal%5D)">Ammonia as a suitable fuel for fuel cells.</a> Frontiers in Energy Research. 2, 2014(2014).</li>
<li>Alias, M. S., Kamarudin, S. K., Zainoodin, A. M., Masdar, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Active+direct+methanol+fuel+cell%3A+An+overview%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Active direct methanol fuel cell: An overview.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 45 (38), 19620-19641 (2020).</li>
<li>Ferrigno, R., Stroock, A. D., Clark, T. D., Mayer, M., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membraneless+vanadium+redox+fuel+cell+using+laminar+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Membraneless vanadium redox fuel cell using laminar flow.</a> Journal of the American Chemical Society. 124 (44), 12930-12931 (2002).</li>
<li>Yan, X., Xu, A., Zeng, L., Gao, P., Zhao, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+paper-based+microfluidic+fuel+cell+with+hydrogen+peroxide+as+fuel+and+oxidant%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Technology%22%5BJournal%5D)">A paper-based microfluidic fuel cell with hydrogen peroxide as fuel and oxidant.</a> Energy Technology. 6 (1), 140-143 (2018).</li>
<li>Ha, S. M., Ahn, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laminar+flow-based+micro+fuel+cell+utilizing+grooved+electrode+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Laminar flow-based micro fuel cell utilizing grooved electrode surface.</a> Journal of Power Sources. 267, 731-738 (2014).</li>
<li>Liu, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+woven+thread-based+microfluidic+fuel+cell+with+graphite+rod+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">A woven thread-based microfluidic fuel cell with graphite rod electrodes.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 43 (49), 22467-22473 (2018).</li>
<li>Peng, J., Zhang, Z. Y., Niu, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Three-dimensional+two-phase+model+for+a+membraneless+fuel+cell+using+decomposition+of+hydrogen+peroxide+with+y-shaped+microchannel%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel+Cells%22%5BJournal%5D)">A Three-dimensional two-phase model for a membraneless fuel cell using decomposition of hydrogen peroxide with y-shaped microchannel.</a> Fuel Cells. 12 (6), 1009-1018 (2012).</li>
<li>Wu, K. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+selective+hydrogen+peroxide+electrosynthesis+on+carbon%3A+in+situ+interface+engineering+with+surfactants%5BTitle%5D)+AND+%22Chem%22%5BJournal%5D)">Highly selective hydrogen peroxide electrosynthesis on carbon: in situ interface engineering with surfactants.</a> Chem. 6 (6), 1443-1458 (2020).</li>
<li>Yang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+facile+microfluidic+hydrogen+peroxide+fuel+cell+with+high+performance%3A+electrode+interface+and+power-generation+properties%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">A facile microfluidic hydrogen peroxide fuel cell with high performance: electrode interface and power-generation properties.</a> ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5328-5335 (2018).</li>
<li>An, L., Zhao, T., Yan, X., Zhou, X., Tan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+dual+role+of+hydrogen+peroxide+in+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Bulletin%22%5BJournal%5D)">The dual role of hydrogen peroxide in fuel cells.</a> Science Bulletin. 60 (1), 55-64 (2015).</li>
<li>Yamazaki, S. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fuel+cell+with+selective+electrocatalysts+using+hydrogen+peroxide+as+both+an+electron+acceptor+and+a+fuel%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">A fuel cell with selective electrocatalysts using hydrogen peroxide as both an electron acceptor and a fuel.</a> Journal of Power Sources. 178 (1), 20-25 (2008).</li>
<li>Sanli, A. E., Aytaç, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Response+to+Disselkamp%3A+Direct+peroxide%2Fperoxide+fuel+cell+as+a+novel+type+fuel+cell%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Response to Disselkamp: Direct peroxide/peroxide fuel cell as a novel type fuel cell.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 36 (1), 869-875 (2011).</li>
<li>Gu, L., Nie, L., George H, M. iley <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cathode+electrocatalyst+selection+and+deposition+for+a+direct+borohydride%2Fhydrogen+peroxide+fuel+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Cathode electrocatalyst selection and deposition for a direct borohydride/hydrogen peroxide fuel cell.</a> Journal of Power Sources. 173 (1), 77-85 (2007).</li>
<li>Yang, F., Cheng, K., Wu, T., Zhang, Y., Yin, J., Wang, G., Cao, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+Au+nanodendrites+supported+on+carbon+fiber+cloth+and+its+catalytic+performance+to+H2O2+electroreduction+and+electrooxidation%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Advances%22%5BJournal%5D)">Preparation of Au nanodendrites supported on carbon fiber cloth and its catalytic performance to H2O2 electroreduction and electrooxidation.</a> RSC Advances. 3 (16), 5483-5490 (2013).</li>
<li>Vidal-Iglesias, F. J., Solla-Gullón, J., Herrero, E., Rodes, A., Aldaz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+you+really+understand+the+electrochemical+Nernst+equation%5BTitle%5D)+AND+%22Electrocatalysis%22%5BJournal%5D)">Do you really understand the electrochemical Nernst equation.</a> Electrocatalysis. 4, 1-9 (2013).</li>
<li>Jing, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+open+circuit+potential+of+hydrogen+peroxide+at+noble+and+glassy+carbon+electrodes+in+acidic+and+basic+electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electroanalytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">The open circuit potential of hydrogen peroxide at noble and glassy carbon electrodes in acidic and basic electrolytes.</a> Journal of Electroanalytical Chemistry. 658 (1-2), 46-51 (2011).</li>
<li>Eaves, S., Eaves, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+cost+comparison+of+fuel-cell+and+battery+electric+vehicles%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles.</a> Journal of Power Sources. 130 (1-2), 208-212 (2004).</li>
<li>Wee, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Which+type+of+fuel+cell+is+more+competitive+for+portable+application%3A+Direct+methanol+fuel+cells+or+direct+borohydride+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Which type of fuel cell is more competitive for portable application: Direct methanol fuel cells or direct borohydride fuel cells.</a> Journal of Power Sources. 161 (1), 1-10 (2006).</li>
<li>Muthukumar, P., Groll, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Erratum+to+%26%2334%3BMetal+hydride+based+heating+and+cooling+systems%3A+a+review%26%2334%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Erratum to &#34;Metal hydride based heating and cooling systems: a review&#34.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 35 (16), 8816-8829 (2010).</li>
</ol>

למחברים אין קונפליקטים להצהיר.

מספר פרמטרים משפיעים באופן משמעותי על הביצועים של תא דלק מי חמצן ללא קרום מעבר לריכוז pH תמיסה וריכוז H 2 O2. בחירת חומר האלקטרודה מכתיבה פעילות אלקטרוקטליטית ויציבות, בעוד ששטח הפנים של האלקטרודה יכול לשפר את אתרי התגובה. טמפרטורת ההפעלה משפיעה על קינטיקה של התגובה, וקצב הזרימה של מגיבים יכול לקבוע את יעילות הערבוב של דלק ומחמצן. הריכוז של כל זרז המשמש הוא חיוני לקצב התגובה, וזיהומים יכולים לעכב או להרעיל את הזרז. תכנון תא הדלק, כולל ריווח אלקטרודות וגיאומטריית ערוצי זרימה, משפיע על הסעת המונים ועל...

תא דלק הוא מכשיר אלקטרוכימי המשתמש בדלק ובמחמצן כדי להמיר כימיקלים לאנרגיה חשמלית. למנועי FC יש יעילות המרת אנרגיה גבוהה יותר מאשר מנועי בעירה מסורתיים מכיוון שהם אינם מחויבים למחזורקרנו 1. על ידי שימוש בדלקים כגון מימן (H 2)2, בורוהידריד-מימן (NaBH 4)3 ואמוניה (NH 3)4, FCs הפכו למקור אנרגיה מבטיח, נקי מבחינה סביבתית ויכול להשיג ביצועים גבוהים, המציע פוטנציאל משמעותי להפחתת התלות האנושית בדלקים מאובנים. עם זאת, טכנולוגיית FC עומדת בפני אתגרים ספציפיים. בעיה נפוצה אחת היא התפקיד הפנימי של קרום חילופי פרוטונים (PEM) במערכת FC, הפועל כהגנה מפני קצרים פנימיים. השילוב של ממברנה אלקטרוליטית תורם להגדלת עלויות הייצור, התנגדות המעגלים הפנימיים והמורכבות האדריכלית5. יתר על כן, הפיכת FCs בעלי תא יחיד למערכים מרובי מחסניות מציגה סיבוכים נוספים עקב התהליך המורכב של שילוב תעלות זרימה, אלקטרודות ולוחות לשיפור הספק ותפוקות זרם5.
במהלך העשורים האחרונים, נעשו מאמצים מרוכזים להתמודד עם אתגרים אלה הקשורים לממברנה ולייעל את מערכת FC. יש לציין כי הופעתן של תצורות FC חסרות ממברנה המשתמשות בזרימות משותפות למינריות במספרי ריינולד נמוכים הציעה פתרון חדשני. בתצורות כאלה, הממשק בין שתי זרימות מתפקד כקרום מוליך פרוטונים "וירטואלי"6. FCs מבוססי זרימה למינרית (LFFCs) נחקרו באופן נרחב, תוך מינוף היתרונות של מיקרופלואידיקה 7,8,9,10. עם זאת, LFFCs דורשים תנאים מחמירים, כולל קלט אנרגיה גבוה לשאיבת דלקים למינריים/מחמצנים, הפחתת הצלבת מגיבים בזרמים זורמים, ואופטימיזציה של פרמטרים הידרודינמיים.
לאחרונה, H 2 O 2 זכה להתעניינות כדלק ומחמצן פוטנציאלי בשל אופיו הניטרלי פחמן, המניב מים (H 2 O) וחמצן (O 2) במהלך תהליכי אלקטרואוקסידציה ואלקטרו-רדוקציה באלקטרודות11,12. H2O2 יכול להיות מיוצר בייצור המוני באמצעות תהליך חיזור של שני אלקטרונים או בתהליך חמצון של שני אלקטרונים ממים12. בהמשך, בניגוד לדלקים גזיים אחרים, ניתן לשלב דלק נוזלי H 2 O2בתשתית בנזין קיימת 5. חוץ מזה, תגובת חוסר הפרופורציה של H 2 O 2 מאפשרת לשרת את H 2 O2הן כדלק והן כמחמצן. איור 1A מראה מבנה סכמטי של ארכיטקטורת H 2 O2FC. בהשוואה ל- FCs 2,3,4 מסורתיים, H 2 O2 FC מנצל את היתרונות של "פשטות" המכשיר. ימאסאקי ועמיתיו הדגימו H 2 O2FCs ללא קרום, כשהם ממלאים את התפקיד של דלק ומחמצן כאחד. המנגנון המתואר של ייצור אנרגיה חשמלית נתן השראה לקהילות מחקר להמשיך בכיוון מחקר זה6. לאחר מכן, מנגנוני אלקטרואוקסידציה ואלקטרו-רדוקציה המשתמשים ב-H 2 O2כדלק וכמחמצן יוצגו על ידי התגובות הבאות13,14
במדיה החומצית:
אנודה: H 2 O2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0.68 V לעומתs. SHE קתודה: H 2 O 2 + 2H+ + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1.77 V לעומת היא סה''כ: 2 שעות 2O 2 → 2H 2 O + O 2
במדיה הבסיסית:
ח 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O אנודה: HO 2- + OH- → O 2 + H2 O + 2e-; Eb1 = 0.15 V לעומת היא קתודה: HO 2- + H2O + 2E- → 3OH-; Eb2 = 0.87 V לעומת היא סה''כ: 2 שעות 2O 2 → 2H 2 O + O 2
איור 1B מדגים את עקרון העבודה של H 2 O2 FCs. H 2 O 2תורם אלקטרונים באנודה ומקבל אלקטרונים בקתודה. מעבר אלקטרונים בין האנודה לקתודה מתרחש דרך מעגל חיצוני, וכתוצאה מכך נוצר חשמל. פוטנציאל המעגל הפתוח התאורטי (OCP) של H 2O2 FC הוא 1.09 V במדיה חומצית ו-0.62 V במדיה בסיסית13. עם זאת, תוצאות ניסוי רבות הראו ערכים נמוכים יותר, שהגיעו עד 0.75 V במדיה חומצית ו 0.35 V במדיה בסיסית, בהשוואה OCP תיאורטי. ניתן לייחס תצפית זו לנוכחות של פוטנציאל מעורב13. בנוסף, ההספק והתפוקה הנוכחית של H 2 O 2 FCs אינם יכולים להתחרות עם FCs2,3,4 שהוזכרו בשל הסלקטיביות הקטליטית המוגבלת של האלקטרודות. עם זאת, ראוי לציין כי הטכנולוגיה הנוכחית של H2 O 2 FC יכולה לעלות בביצועיה על H2, NaBH4 ו- NH3 FCs במונחים של עלות כוללת, כפי שמוצג בטבלה 1. לפיכך, הסלקטיביות הקטליטית המשופרת של אלקטרודותעבור אלקטרואוקסידציה H 2 O2 ואלקטרורדוקציה נותרה אתגר משמעותי עבור התקנים אלה.
במחקר זה, אנו מציגים אלקטרודה בעלת מבנה נקבובי תלת מימדי כדי לשפר את האינטראקציה בין האלקטרודה לבין דלק H 2O2, במטרה להגביר את קצב התגובה ולשפר את ההספק ואת תפוקת הזרם. אנו גם חוקרים את ההשפעה של ריכוז pH תמיסה וריכוז H2 O2 על ביצועי FC. זוג האלקטרודות המשמש במחקר זה כולל בד סיבי פחמן מצופה זהב וקצף ניקל. אפיון מבני מתבצע באמצעות עקיפה של קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), כאשר פוטנציאל מעגל פתוח (OCP), קיטוב ועקומות תפוקת כוח משמשים כפרמטרים העיקריים לבדיקת FC.

<table><tbody><tr><td>Acetone</td><td>Merck & Co. Inc. (MRK)</td> <td>67-64-1</td><td>פתרון לעיבוד מקדים של חומרים</td></tr><tr><td>אלכוהול</td><td>Merck & Co. Inc. (MRK)</td> <td>64-17-5</td><td>פתרון לעיבוד מקדים של חומרים</td></tr><tr><td>בד סיבי פחמן</td><td>Soochow Willtek חומרים פוטואלקטריים ושות', בע"מ</td><td></td><td>חומר מצע W0S1011 לשיטת אלקטרוליטינג תחנת אלקטרוכימיה</td></tr><tr><td></td><td>&nbsp; שנחאי Chenhua מכשיר ושות', בע"מ</td><td>מכשיר CHI600E</td><td>לשיטת ציפוי אלקטרוליטי ואפיון ביצועי תאי דלק</td></tr><tr><td>זהב כלוריד טריהידראט</td><td>שנחאי אלאדין ביוכימיה טכנולוגיה ושות', בע"מ</td><td>G141105-1g</td><td>מומס ראשי לשיטת ציפוי אלקטרוליטי</td></tr><tr><td>חומצה הידרוכלורית</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td>10011018</td><td>התאמת תמיסה pH</td></tr><tr><td>מי חמצן</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td></td><td>10011208 דלק של תא</td></tr><tr><td>קצף ניקל</td><td>Willtek חומרים פוטואלקטריים co.ltd(Soochow, סין)</td> <td>KSH-2011</td><td>חומר אנודה לתא דלק מי חמצן</td></tr><tr><td>אשלגן כלורי</td><td>שנחאי אלאדין ביוכימיה טכנולוגיה ושות', בע"מ</td><td>10016308</td><td>תוספים לשיטת ציפוי אלקטרוליטי</td></tr><tr><td>מיקרוסקופ אלקטרונים סורק</td><td>Carl Zeiss AG</td><td>EVO 10</td><td>אפיון מבני לדגימה</td></tr><tr><td>נתרן הידרוקסיד</td><td>Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd</td><td>10019718</td><td>התאמת תמיסה</td></tr> pH מכונת <tr><td>דיפרקציה רנטגן</td><td>Bruker Corporation</td><td>D8</td><td>אפיון מבני מתקדם לדגימה</td></tr></tbody></table>

תאי דלק ללא מי חמצן כמקור אנרגיה נקי מבטיח

Membraneless Hydrogen Peroxide Fuel Cells as a Promising Clean Energy Source

במחקר מעמיק של תאי דלק מבוססי מי חמצן ללא קרום (H 2 O 2 FCs), מי חמצן (H 2 O 2), תרכובת ניטרלית פחמן, מודגם לעבור פירוק אלקטרוכימי כדי לייצר H 2 O, O 2, ואנרגיה חשמלית. תכונות החיזור הייחודיות של H 2 O2מציבות אותו כמועמד בר קיימא ליישומי אנרגיה בת קיימא. התכנון המוצע ללא קרום מתייחס למגבלות של תאי דלק קונבנציונליים, כולל מורכבויות ייצור ואתגרי תכנון. אלקטרודה תלת מימדית חדשנית, מסונתזת באמצעות טכניקות electroplating, מוצג. אלקטרודה זו, הבנויה מבד סיבי פחמן Au-electroplated בשילוב עם Ni-foam, מציגה קינטיקה משופרת של תגובה אלקטרוכימית, המובילה לצפיפות הספק מוגברת עבור H 2O2 FCs. הביצועים של תאי דלק קשורים באופן מורכב לרמות ה- pH של תמיסת האלקטרוליטים. מעבר ליישומי FC, אלקטרודות כאלה טומנות בחובן פוטנציאל במערכות אנרגיה ניידות וכזרזים בעלי שטח פנים גבוה. מחקר זה מדגיש את חשיבותה של הנדסת אלקטרודות במיטוב הפוטנציאל של H 2 O2כמקור אנרגיה ידידותי לסביבה.

תוצאות ציפוי אלקטרוליטי איור 2 מציג את תוצאות הציפוי החשמלי. איור 2A מציין את תוצאת עקיפת קרני רנטגן. איור 2B,C הם המיקרוגרפים. איור 2D,E הן תוצאות SEM. התצהיר היעיל של זהב (Au) על בד סיבי פחמן (CF) אושר לראשונה באמצעות שינוי הצבע הפיזי בבד סיבי הפחמן משחור לצהוב זהוב, כפי שניתן לראות באיור 2B,C. אימות נ...

פרוטוקול זה מציג תכנון והערכה של אלקטרודות תלת-ממדיות חדשניות עבור תאי דלק מי חמצן, תוך שימוש בבד סיבי פחמן Au-electroplated ואלקטרודות Ni-foam. ממצאי המחקר מדגישים את הפוטנציאל של מי חמצן כמועמד מבטיח לטכנולוגיות אנרגיה בת קיימא.

In an in-depth investigation of membraneless hydrogen peroxide-based fuel cells (H2O2 FCs), hydrogen peroxide (H2O2), a carbon-neutral compound, is ...

הדגמנו שיטת ציפוי אלקטרוליטי לפנים להפקיד חלקיקי ננו זהב על בד פחמן שטח פנים גבוה. בד הפחמן האלקטרו-פלטי זהב הוא ביצועי רשת כבדים בשמש כקתודה לתאי דלק מי חמצן. בשל המנגנון הספציפי של תאי דלק מי חמצן ללא קרום, החוקרים מבוססים כיום על פיתוח קומפלקסים של מתכות אצילות כאלקטרודות ושיפור האזור הרגיש של אלקטרודות אלה על ידי שימוש בננוטכנולוגיה ובכימיה של קואורדינציה.במחקר שלנו, לא רק הצענו את שיטות הציפוי החשמלי לייצור שטח פנים גבוה עבור האלקטרודות, אלא גם מצאנו תפקיד חשוב מאוד של pH בתא דלק, אשר נותר מוזנח במחקר שדווח בעבר. ישנן טכניקות רבות שניתן להשתמש בהן לייצור אלקטרודות ננומטריות אלה, כגון אידוי פיזי או כימי. עם זאת, שיטות אלה הם יקרים מאוד, כמו גם זמן רב.מכיוון שאלקטרודות זקוקות כעת לדיוק בעובי, ציפוי אלקטרוליטי הוא שיטה מבטיחה מאוד עבור אלקטרודות אלה.

membraneless-hydrogen-peroxide-fuel-cells-as-promising-clean-energy

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

אנו מתארים פרוטוקול עבור דור האור היה זרז של מי חמצן - גורם-שותף עבור טרנספורמציות חמצונים.

אור מונחה אנזימתי Decarboxylation

חקר השיטות לייצור מימן לפי דרישה לתאי דלק ממשיך לגדול בחשיבותו. עם זאת, מערכות למדידת התפתחות מימן מתגובה של כימיקלים עם מים יכולות להיות מסובכות ויקרות. מאמר זה מפרט שיטה פשוטה, זולה וחזקה למדידת האבולוציה של גז מימן.

פשוט, בעלות נמוכה, ואת מערכת חזקה כדי למדוד את הנפח של מימן התפתח באמצעות תגובות כימיות עם תמיסות מימיות

פרוטוקול ליצירת דגם פליטת בעירה עשירה בדלק מפותח באמצעות אפיון בעירה ומיושם לבדיקה ומחקר של תאי דלק בסיוע להבה מיקרו-צינורית.

אפיון שרפה ופיתוח דלק מודל מיקרו-צינורי בתאי דלק הלהבה בסיוע

הפקה יעילה סולארית מימן התממשו לאחרונה על פונקציונליזציה מערכות מוליכים למחצה-electrocatalyst בחצי תא האלקטרוכימי בסביבה המיקרוגרוטציה במגדל ברמן Drop. כאן, אנו מדווחים על ההליכים הניסיוניים לייצור מכשיר מוליך למחצה-electrocatalyst, פרטים של הגדרת ניסיוני בקפסולה ירידה ואת הרצף ניסיוני בסתיו חופשי.

ניסיוני שיטות ייצור יעיל מימן סולארית בסביבה מיקרוגרביטציה

כורי ממברנות מאפשרים הידרוגנציה בתנאי סביבה ללא קלט H2 ישיר. אנו יכולים לעקוב אחר ייצור המימן וניצולו במערכות אלה באמצעות ספקטרומטריית מסות אטמוספרית (atm-MS) וספקטרומטריית מסות כרומטוגרפיית גז (GC-MS).

ייצור וניצול מימן בכור ממברנות

פרוטוקול זה מנחה את הייצור והניתוח האלקטרוכימי של אלקטרו-קטליזטורים דו-מתכתיים CuZn ו-NiCo הנתמכים על ידי MXene לייצור דלק ירוק מפחמן דו חמצני ומים באמצעות אנרגיה סולארית.

ייצור דלק ירוק אלקטרוכימי מונע שמש מ-CO2 ומים באמצעות זרזי CuZn ו-NiCo נתמכיTi 3C2T x MXene

פרוטוקול זה מתאר מתודולוגיה ניתנת לשחזור לייצור ממברנות מכלול מתכת-אורגני/פולימרי מעורבת במטריצות, ומדידה מדויקת של הולכת הפרוטונים במישור תחת טמפרטורה ולחות משתנות באמצעות ספקטרוסקופיית התנגדות אלקטרוכימית, שיכולה להיות שימושית לתאי דלק ממברנת החלפת פרוטונים (PEMFCs).

מדידת מוליכות פרוטונים בממברנות מטריצה מעורבות מבוססות MOF באמצעות ספקטרוסקופיית אימפדנס אלקטרוכימית

אנו מציגים פלטפורמה ייחודית לאפיון משטחי האלקטרודה בתאי דלק תחמוצת מוצקים (SOFCs) המאפשרת ביצוע סימולטני של שיטות אפיון מרובות...

חיטוט ומיפוי משטחי אלקטרודה דלק תאי תחמוצת מוצקות

דגימת גז מלהבות מעבדה בקנה מידה עם ניתוח באינטרנט של כל המינים על ידי ספקטרומטריית מסה היא שיטה רבת עוצמה כדי לחקור את התערובת המורכבת של תרכובות כימיות המתרחשות בתהליכי בעירה. יחד עם יינון רך מתכונן באמצעות קרינת ואקום אולטרה סגול-סינכרוטרון שנוצר, בטכניקה זו מספקת מידע נפתר האיזומר ואפשרות ללא בר ספקטרום המוני.

ניסויי להבה במקור האור מתקדם: תובנה חדשות על תהליכי היווצרות פיח

מתואר השימוש בטומוגרפיה של קרני רנטגן מפזרות אנרגיה במיקרוסקופ האלקטרונים של שידור הסריקה כדי לאפיין התפלגויות יסודות בתוך ננו-חלקיקים בודדים בתלת מימד.

Dispersive אנרגיה טומוגרפיית רנטגן עבור מיפוי 3D היסודות של חלקיקים בודדים

למד שיטת ציפוי אלקטרוליטי לייצור אלקטרודות תלת-ממדיות לתאי דלק מימן חמצני באמצעות סיבי פחמן מצופים זהב. המחקר מדגיש את השפעת ה-pH על ביצועי התא ומציע פתרון אנרגיה נקי ויעיל.

תאי דלק ללא מי חמצן כמקור אנרגיה נקי מבטיח

גלה סרטונים נוספים