Name: Membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen als veelbelovende schone energiebron (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 39 s
Description: Leer een elektroplatingmethode voor membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen met Au-gegalvaniseerde koolstofvezeldoek. Deze techniek optimaliseert elektrodeprestaties door pH-effecten te onderzoeken.

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

Dit werk werd ondersteund door het National Key Technologies R&D-programma van China (2021YFA0715302 en 2021YFE0191800), de National Natural Science Foundation of China (61975035 en 52150610489) en de Science and Technology Commission van de gemeente Shanghai (22ZR1405000).

1. Voorbewerking van materialen
OPMERKING: Ni-schuim (in de handel verkrijgbaar, zie Materiaaltabel) met 25 mm x 25 mm x 1,5 mm wordt gebruikt voor de anode van de H2 O2 FC.
<ol><li>Dompel het Ni-schuimmonster onder in alcohol en gedeïoniseerd (DI) water, sonificeer gedurende drie keer, 5 minuten in oplosmiddel en water. Plaats vervolgens het Ni-schuim op een schone glasondergrond.</li>
	<li>Gebruik de koolstofvezeldoek (zie Materiaaltabel) als kathodesubstraat. Knip het carbondoek met een schaar in vierkante stukken van 25 mm x 25 mm.</li>
	<li>Dompel het koolstofdoekmonster drie keer gedurende 5 minuten onder in aceton, 75% alcohol, DI-water en sonicaat. Spoel vervolgens de koolstofdoek met DI-water om alcoholresten te verwijderen. Plaats het koolstofdoek op een glazen ondergrond. OPMERKING: Op basis van de besproken onderzoeksresultaten15,16 zijn Au als kathode en Ni als anode gekozen als katalysatoren voor H 2 O 2 FC's. Metalen zoals Pt, Pd, Ni, Au en Ag hebben een specifieke katalytische selectiviteit ten opzichte van H 2 O 2oxidatie- of reductiereactie, waardoor ze geschikte elektrodematerialen zijn. De Au@carbon vezelelektrode biedt een combinatie van elektrokatalytische activiteit, stabiliteit en verbeterde geleidbaarheid, waardoor het een geschikte keuze is voor membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen.</li>
</ol>2. Galvaniseren van Au op een koolstofdoek
<ol><li>Bereid reagentia voor galvaniseren voor zoals aangegeven door het volgende: chlooraurische zuur (HAuCl4), kaliumchloride (KCl), zoutzuur (HCl) en DI-water (zie Tabel met materialen).</li>
	<li>Bereid 80 ml oplossingen (afhankelijk van het volume van het bekerglas) in een schoon bekerglas met 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl en 0,01 M HCl. Sluit de opening af en roer de oplossing gedurende 15 min.</li>
	<li>Bereid het galvaniserende materiaal koolstofdoek en de platingoplossing voor. Het galvaniseerproces wordt uitgevoerd door Electrochemical Station (ES) (zie Tabel met materialen). OPMERKING: Hier wordt een methode met drie elektroden geselecteerd voor plating: koolstofdoek als werkelektrode (WE), grafietstaaf als tegenelektrode (CE) en Ag/AgCl (verzadigde 1 M KCl-oplossing) als referentie-elektrode (RE).</li>
	<li>Zorg ervoor dat elke elektrode het juiste object vastklemt. Dompel de elektroden onder in de platingoplossing.</li>
	<li>Start de ES. Stel het programma in op de chronoamperometriemethode, zoals weergegeven in figuur 1C. Zorg ervoor dat een enkele aflegcirkel als volgt is: werkpotentiaal 0.1 V gedurende 0.1 s en rustpotentiaal 0.2 V gedurende 0.2 s. Als gevolg hiervan diffundeert het AuCl 4-ion gelijkmatig rond de WE.<ol><li>Stel galvaniseercirkels in op 800, 1600, 2400 en 3200 cirkels. Voer het programma uit. OPMERKING: Doorgaans kan het chronoamperometriemethodeprogramma in ES geen 1600 cycli bereiken. Als alternatief kan het Multi-Potential Steps-programma van ES ook worden gebruikt voor de galvaniseermethode, dezelfde selecties als de chronoamperometriemethode (zie instructies van de fabrikant).</li>
	</ol></li>
	<li>Sluit na het galvaniseren de ES, pak de reagentia in en verzamel Au gegalvaniseerde koolstofvezeldoek (Au@CF).</li>
	<li>Dompel de Au@CF drie keer onder in het DI-water om de oplossingsresten te verwijderen. Plaats het op een glazen substraat om aan de lucht te drogen.</li>
	<li>Knip het niet-geplateerde deel van de Au@CF dat door de klemmen wordt veroorzaakt om te voorkomen dat een deel van CF in contact komt met oplossingen.</li>
	<li>Meet de grootte van Au@CF (a: lengte, b: breedte) met een liniaal voor het berekenen van stroom-/vermogensdichtheden.</li>
</ol>3. Prestatiekarakterisering van een FC
<ol><li>Bereid oplossingen met twee concentraties, één oplossing voor pH-gradiënt (1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), terwijl de andere oplossing voor H 2 O 2 (C HP) gradiënt (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol,2 mol).</li>
	<li>Karakteriseer de FC-prestaties door ES met twee elektroden voor OCP en drie elektroden voor de polarisatie- en vermogensuitgangscurven (stappen 3.3-3.6).</li>
	<li>Was Ni-schuim opnieuw en Au@CF opnieuw twee keer met DI-water. Leg ze opzij voor stand-by.</li>
	<li>Verkrijg OCP-gegevens tijdens het testen van een FC: OCP is een essentiële parameter in de FC-prestaties.<ol><li>Gebruik Ni-schuim als zowel RE als CE, en Au@CF als WE. Voeg de oplossing toe aan het bekerglas. Sluit de elektroden aan op de ES. Zet de ES aan.</li>
		<li>Stel het programma in op Open Circuit Potential - Time Method; Looptijd: 400 s, Sample-interval: 0,1 s, Hoge E-limiet: 1 V, Lage E-limiet: -1 V. Voer het programma uit. OPMERKING: Het duurt vaak even voordat de FC-uitgang is gestabiliseerd. Voer metingen uit totdat stabiele FC-resultaten zijn verkregen.</li>
		<li>Meet de gegevens. Sluit het programma. Was het bekerglas en de elektroden. Voeg andere oplossingen toe voor specifieke tests.</li>
	</ol></li>
	<li>Test de uitvoerprestaties van FC op basis van OCP-gegevens. Hier zijn alleen originele Linear Sweep Voltammetry (LSV)-curvegegevens vereist. Verdere outputgegevens kunnen worden berekend uit de LSV-curve.<ol><li>Was Ni-schuim en Au@CF opnieuw met DI-water (herhaal twee keer). Gebruik Ni-schuim als RE en CE, Au@CF als WE. Voeg de oplossing toe aan het bekerglas.</li>
		<li>Stel het programma in op LSV, OCP als initiële E, 0 V als final E, scansnelheid als 0.01 V/s, overeenkomend met de voorwaarden van open circuit (OCP) en kortsluiting (0 V). Voer het programma uit.</li>
		<li>Verzamel de gegevens, sluit het programma, was het bekerglas en de elektroden en voeg andere vereiste oplossingen toe voor specifieke tests.</li>
	</ol></li>
	<li>Was de elektroden na experimenten en bewaar ze op een glas. OPMERKING: Experimentgegevens kunnen worden opgeslagen in EXCEL-indeling.</li>
</ol>4. Structurele karakterisering van elektroden
OPMERKING: XRD is een gemakkelijke en betrouwbare methode om monsters te analyseren. XRD wordt gebruikt om elementen van de elektroden te detecteren, zoals gegalvaniseerd Au op het koolstofdoek. XRD-tests worden voor en na FC-karakterisering uitgevoerd om mogelijke corrosie en degradatie van elektroden te analyseren. Au-deeltjes kunnen bijvoorbeeld loskomen van CF en nikkelcorrosie kan optreden in zure oplossingen5.
<ol><li>Was de elektroden met gedistilleerd water (twee keer) en droog ze aan de lucht bij kamertemperatuur.</li>
	<li>Schraap met een pincet metalen van de elektroden af. Verzamel het metaalpoeder en doe het in een bakje.</li>
	<li>Voer XRD-tests17uit op de metaalpoedermonsters.</li>
	<li>Neem SEM om de morfologie van de elektroden te karakteriseren en infiltratie en galvanisatie tussen het goud- en koolstofvezeldoek te onderzoeken. Karakteriseer daarnaast de corrosie van nikkel door SEM.</li>
</ol>5. Gegevensverwerking en berekening van het uitgangsvermogen
<ol><li>Alle gegevens kunnen worden geanalyseerd in EXCEL. Gebruik Excel of Origin om gegevens te analyseren en experimentele grafieken te plotten.</li>
	<li>Gebruik de OCP-gegevens om de selectiviteit van elektroden te karakteriseren, bijvoorbeeld met behulp van een tabel of een lijnfiguur. Gebruik het gemiddelde potentieel voor tabellegenda's. Meestal wordt een lijnfiguur gebruikt om de stabiliteit van de FC aan te tonen.</li>
	<li>Gebruik de LSV-gegevens om de uitvoerprestaties van FC te karakteriseren. Er zijn twee kolommen met gegevens in het EXCEL-bestand. Doorgaans toont de ene dataset potentiaal (U) en de andere geregistreerde stroom (I). Bereken het uitgangsvermogen met behulp van de volgende vergelijking: P = U × I NOTITIE: Een hoge stroomwaarde (I) duidt op een bevredigende prestatie van de FC. Een groot elektrodeoppervlak resulteert bijvoorbeeld in hogere stromen. Een genormaliseerde parameter die verwijst naar de prestaties van FC's is de stroomdichtheid (I D), die gelijk is aan de stroom gedeeld door het oppervlak (A) van de elektroden: ID = I/A</li>
	<li>Bereken vervolgens de vermogensdichtheid (PD) als: P D = U × ID OPMERKING: Het is essentieel om de absolute waarde te nemen, aangezien voorlopige gegevenswaarden negatief kunnen zijn vanwege de richting van de stroom, wat niet wenselijk is tijdens metingen.</li>
	<li>Het vergelijken van parameters met behulp van U, I D en PD binnen een enkel cijfer is eenvoudig. Wijs ID toe aan de x-as, u aan de linker y-as en PD aan de rechter y-as.</li>
</ol>

Onderzoek naar innovatieve 3D-elektroden voor waterstofperoxide-brandstofcellen

<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>

Auteurs hebben geen conflicten te verklaren.

Verschillende parameters hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties van een membraanloze waterstofperoxide-brandstofcel boven de pH van de oplossing en de H2O2-concentratie. De keuze van het elektrodemateriaal bepaalt de elektrokatalytische activiteit en stabiliteit, terwijl het oppervlak van de elektrode de reactieplaatsen kan verbeteren. De bedrijfstemperatuur beïnvloedt de reactiekinetiek en het debiet van reactanten kan de mengefficiëntie van brandstof en oxidatiemiddel bepalen. De concent...

Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat brandstof en oxidatiemiddel gebruikt om chemicaliën om te zetten in elektrische energie. FC's hebben een hogere energieomzettingsefficiëntie dan traditionele verbrandingsmotoren, omdat ze niet gebonden zijn aan de Carnot-cyclus1. Door gebruik te maken van brandstoffen zoals waterstof (H2)2, boorhydride-waterstof (NaBH 4)3 en ammoniak (NH 3)4, zijn FC's een veelbelovende energiebron geworden die milieuvriendelijk is en hoge prestaties kan leveren, wat een aanzienlijk potentieel biedt om de menselijke afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. FC-technologie staat echter voor specifieke uitdagingen. Een veel voorkomend probleem is de interne rol van een protonuitwisselingsmembraan (PEM) in het FC-systeem, dat fungeert als beveiliging tegen interne kortsluiting. De integratie van een elektrolytisch membraan draagt bij aan hogere fabricagekosten, weerstand van het interne circuit en architecturale complexiteit5. Bovendien brengt het transformeren van FC's met één compartiment in multi-stack arrays extra complicaties met zich mee als gevolg van het ingewikkelde proces van het integreren van stroomkanalen, elektroden en platen om het vermogen en de stroomuitgangen te verbeteren5.
In de afgelopen decennia zijn er gezamenlijke inspanningen geleverd om deze membraangerelateerde uitdagingen aan te pakken en het FC-systeem te stroomlijnen. Met name de opkomst van membraanloze FC-configuraties met laminaire co-flows bij lage Reynold-getallen heeft een innovatieve oplossing geboden. In dergelijke opstellingen functioneert de interface tussen twee stromen als een "virtueel" protongeleidend membraan6. Laminaire flow-based FC's (LFFC's) zijn uitgebreid bestudeerd, gebruikmakend van de voordelen van microfluïdica 7,8,9,10. LFFC's vereisen echter strenge voorwaarden, waaronder een hoge energie-input voor het verpompen van laminaire brandstoffen/oxidanten, beperking van reactant-crossover in vloeistofstromen en optimalisatie van hydrodynamische parameters.
Onlangs heeft H 2O 2 aan belangstelling gewonnen als potentiële brandstof en oxidant vanwege zijn koolstofneutrale karakter, dat water (H 2 O) en zuurstof (O 2) oplevert tijdens elektro-oxidatie- en elektroreductieprocessen bij elektroden11,12. H2 O2 kan in massa worden geproduceerd met behulp van een reductieproces met twee elektronen of door een oxidatieproces met twee elektronen uit water12. Vervolgens kan vloeibareH2O2-brandstof, in tegenstelling tot andere gasvormige brandstoffen, worden geïntegreerd in bestaande benzine-infrastructuur 5. Bovendien maakt deH2O 2 disproportionele reactie het mogelijk om H 2 O 2zowel als brandstof als oxidatiemiddel te dienen. Figuur 1A toont een schematische structuur van de architectuur van een facile H 2 O2FC. In vergelijking met traditionele FC's 2,3,4 maakt de H 2 O 2FC gebruik van de voordelen van de "eenvoud" van het apparaat. Yamasaki et al. toonden membraanloze H2 O2 FC's aan, die zowel de rol van brandstof als oxidatiemiddel spelen. Het beschreven mechanisme van de opwekking van elektrische energie heeft onderzoeksgemeenschappen geïnspireerd om deze onderzoeksrichting voort te zetten6. Vervolgens zijn elektro-oxidatie- en elektroreductiemechanismen met behulp vanH 2 O2 als brandstof en oxidant weergegeven door de volgende reacties13,14
In de zure media:
Anode: H2 O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 V vs. SHE Kathode: H 2 O 2 + 2H+ + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. ZIJ Totaal: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
In de basismedia:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O Anode: HO 2- + OH- → O 2 + H 2O + 2e-; Eb1 = 0,15 V vs. ZIJ Kathode: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V vs. ZIJ Totaal: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Figuur 1B illustreert het werkingsprincipe van H 2 O 2 FC's. H 2 O2 doneert elektronen aan de anode en accepteert elektronen aan de kathode. Elektronenoverdracht tussen de anode en kathode vindt plaats via een extern circuit, wat resulteert in het opwekken van elektriciteit. De theoretische open circuit potentiaal (OCP)van H 2 O2 FC is 1,09 V in zure media en 0,62 V in basische media13. Talrijke experimentele resultaten hebben echter lagere waarden aangetoond, tot 0,75 V in zure media en 0,35 V in basische media, vergeleken met de theoretische OCP. Deze waarneming kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een gemengd potentieel13. Bovendien kunnen het vermogen en de stroomuitgang van H 2 O 2 FC's niet concurreren met de genoemde FC's2,3,4 vanwege de beperkte katalytische selectiviteit van de elektroden. Desalniettemin is het opmerkelijk dat de huidige H 2 O 2 FC-technologie beter kan presteren dan H2, NaBH4 en NH3 FC's in termen van totale kosten, zoals weergegeven in tabel 1. De verbeterde katalytische selectiviteit van elektroden voor H2O2-elektro-oxidatieen -elektroreductie blijft dus een belangrijke uitdaging voor deze apparaten.
In deze studie introduceren we een driedimensionale elektrode met een poreuze structuur om de interactie tussen de elektrode enH2O2-brandstof te verbeteren, met als doel de reactiesnelheid te verhogen en het vermogen en de stroomoutput te verbeteren. We onderzoeken ook de impact van de pH van de oplossing en de H2O2-concentratieop de prestaties van de FC. Het elektrodepaar dat in dit onderzoek wordt gebruikt, bestaat uit een vergulde koolstofvezeldoek en nikkelschuim. Structurele karakterisering wordt uitgevoerd met behulp van röntgendiffractie (XRD) en scanning-elektronenmicroscopie (SEM), waarbij Open Circuit Potential (OCP), polarisatie en vermogensuitgangscurven dienen als de primaire parameters voor FC-testen.

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Merck &amp; Co. Inc. (MRK)</td><td>67-64-1</td><td>oplossing voor voorbewerking van materialen</td></tr><tr><td>Alcohol</td><td>Merck &amp; Co. Inc. (MRK)</td><td>64-17-5</td><td>oplossing voor voorbewerking van materialen</td></tr><tr><td>Koolstofvezeldoek</td><td>Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd.</td><td>W0S1011</td><td>substraatmateriaal voor elektroplateringsmethode</td></tr><tr><td>Elektrochemie station</td><td>&nbsp;Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd.</td><td>CHI600E</td><td>apparaat voor elektroplateringsmethode en brandstofcellenkarakterisering</td></tr><tr><td>Goudchloride trihydraat</td><td>Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd.</td><td>G141105-1g</td><td>belangrijkste opgeloste stof voor elektroplateringsmethode</td></tr><tr><td>Zoutzuur</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td>10011018</td><td>aanpassing van oplossing pH</td></tr><tr><td>Waterstofperoxide</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td>10011208</td><td>brandstof van cel</td></tr><tr><td>Nikkelschuim</td><td>Willtek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China)</td><td>KSH-2011</td><td>anode materiaal voor waterstofperoxide brandstofcel</td></tr><tr><td>Kaliumchloride</td><td>Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd.</td><td>10016308</td><td>additieven voor elektroplateringsmethode</td></tr><tr><td>Scanning elektronenmicroscoop</td><td>Carl Zeiss AG</td><td>EVO 10</td><td>structurele karakterisering voor monster</td></tr><tr><td>Natriumhydroxide</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td>10019718</td><td>aanpassing van oplossing pH</td></tr><tr><td>X-Ray diffractieapparaat</td><td>Bruker Corporation</td><td>D8 Advance</td><td>structurele karakterisering voor monster</td></tr></tbody></table>

membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen als veelbelovende schone energiebron

Membraneless Hydrogen Peroxide Fuel Cells as a Promising Clean Energy Source

In een diepgaand onderzoek van membraanloze brandstofcellen op basis van waterstofperoxide (H 2 O 2 FC's) is aangetoond dat waterstofperoxide (H 2 O 2), een koolstofneutrale verbinding, elektrochemische ontleding ondergaat om H 2 O, O 2en elektrische energie te produceren. De unieke redoxeigenschappen van H 2O2 maken het een levensvatbare kandidaat voor duurzame energietoepassingen. Het voorgestelde membraanloze ontwerp pakt de beperkingen van conventionele brandstofcellen aan, waaronder de complexiteit van de fabricage en ontwerpuitdagingen. Een nieuwe driedimensionale elektrode, gesynthetiseerd via galvaniseertechnieken, wordt geïntroduceerd. Deze elektrode is gemaakt van Au-gegalvaniseerd koolstofvezeldoek in combinatie met Ni-schuim en vertoont een verbeterde elektrochemische reactiekinetiek, wat leidt tot een verhoogde vermogensdichtheid voor H 2 O2FC's. De prestaties van brandstofcellen zijn nauw verbonden met de pH-waarde van de elektrolytoplossing. Naast FC-toepassingen hebben dergelijke elektroden potentieel in draagbare energiesystemen en als katalysatoren met een groot oppervlak. Deze studie benadrukt het belang van elektrodetechniek bij het optimaliseren van het potentieel van H2 O2 als milieuvriendelijke energiebron.

Resultaten galvaniseren Figuur 2 toont de resultaten van het galvaniseren. Figuur 2A geeft het resultaat van de röntgendiffractie weer. Figuur 2B,C zijn de microfoto's. Figuur 2D,E zijn de SEM-resultaten. De effectieve afzetting van goud (Au) op het koolstofvezeldoek (CF) werd voor het eerst bevestigd aan de hand van de fysieke kleurverandering in he...

Dit protocol introduceert het ontwerp en de evaluatie van innovatieve driedimensionale elektroden voor waterstofperoxide-brandstofcellen, waarbij gebruik wordt gemaakt van Au-gegalvaniseerde koolstofvezeldoek en Ni-schuimelektroden. De onderzoeksresultaten benadrukken het potentieel van waterstofperoxide als een veelbelovende kandidaat voor duurzame energietechnologieën.

Membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen als veelbelovende schone energiebron

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

We hebben een methode geïllustreerd om nano-gouddeeltjes op het koolstofdoek met een hoog oppervlak te deponeren. Het gouden gegalvaniseerde koolstofdoek is zware rasterprestaties in het dienen als kathode voor waterstofperoxidebrandstofcellen. Vanwege het specifieke mechanisme van membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen, zijn onderzoekers momenteel gebaseerd op het ontwikkelen van edelmetaalcomplexen als elektroden en het verbeteren van het gevoelige gebied van deze elektroden door gebruik te maken van nanotechnologie en coördinatiechemie.In ons onderzoek hebben we niet alleen de galvaniseermethoden voorgesteld voor de fabricage van een groot oppervlak voor de elektroden, maar hebben we ook een zeer belangrijke rol van pH in brandstofcellen gevonden, die in het eerder gerapporteerde onderzoek verwaarloosd blijft. Er zijn veel technieken die kunnen worden gebruikt voor het vervaardigen van deze elektroden op nanoschaal, zoals fysische of chemische verdampingen. Deze methoden zijn echter erg duur en tijdrovend.Omdat elektroden nu nauwkeurigheid in dikte nodig hebben, is galvaniseren een veelbelovende methode voor deze elektroden.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

We beschrijven een protocol voor het licht-gekatalyseerde vorming van waterstofperoxide - een cofactor voor oxidatieve transformaties.

Light-driven Enzymatische Decarboxylatie

De studie van methoden om op aanvraag waterstof te genereren voor brandstofcellen blijft in belang toenemen. Systemen om de evolutie van waterstof uit de reactie van chemicaliën met water te meten, kunnen echter ingewikkeld en duur zijn. Dit artikel beschrijft een eenvoudige, goedkope en robuuste methode om de evolutie van waterstofgas te meten.

Een eenvoudige, low-cost, en robuust systeem om het volume van Hydrogen Evolved door chemische reacties met waterige oplossingen Meet

Een protocol voor het creëren van een brandstofrijke verbrandingsuitlaat wordt ontwikkeld door middel van verbrandingskarakterisering en wordt toegepast voor micro-buisvormige vlamondersteunde brandstofceltests en onderzoek.

Verbranding Karakterisatie en Model Fuel Development voor Micro-buis-Flame bijgestaan ​​Fuel Cells

De efficiënte Solar-waterstofproductie is recentelijk gerealiseerd op Gefunctionaliseerde halfgeleider-electrocatalyst-systemen in een fotoelektrochemische halfcel in de micro zwaartekrachtomgeving bij de Bremen drop Tower. Hier rapporteren we de experimentele procedures voor het vervaardigen van het halfgeleider-electrocatalyst-apparaat, Details van de experimentele opstelling in de druppel capsule en de experimentele sequentie tijdens vrije val.

Experimentele methoden voor efficiënte productie van zonne-energie waterstof in de omgeving van microzwaartekracht

Membraanreactoren maken hydrogenering in omgevingsomstandigheden mogelijk zonder directe H2-input . We kunnen de waterstofproductie en -gebruik in deze systemen volgen met behulp van atmosferische massaspectrometrie (atm-MS) en gaschromatografie massaspectrometrie (GC-MS).

Waterstofproductie en -gebruik in een membraanreactor

Dit protocol vormt de leidraad voor de fabricage en elektrochemische analyse van MXene-ondersteunde CuZn- en NiCo-bimetaalelektrokatalysatoren voor de productie van groene brandstof uit kooldioxide en water met behulp van zonne-energie.

Productie van elektrochemische groene brandstof op zonne-energie uit CO2 en water met behulp van Ti3C2T x MXene-ondersteunde CuZn- en NiCo-katalysatoren

Dit protocol beschrijft een reproduceerbare methodologie voor de fabricage van duurzame metaal-organische raamwerk/polymeer-gemengde matrixmembranen en nauwkeurige meting van hun in-vlak protongeleidbaarheid onder variabele temperatuur en vochtigheid met behulp van elektrochemische impedantiespectroscopie, wat nuttig kan zijn voor protonuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC's).

Het meten van protongeleidbaarheid in MOF-gebaseerde gemengde matrixmembranen met elektrochemische impedantiespectroscopie

We presenteren een uniek platform voor het karakteriseren van elektrode oppervlakken in vaste oxide brandstofcel (SOFC) die gelijktijdig uitvoeren van meerdere karakterisatietechnieken...

Indringende en in kaart brengen van elektrode-oppervlakken in Solid Oxide Fuel Cells

Gasmonsters van laboratoriumschaal vlammen met online analyse van alle soorten van massaspectrometrie is een krachtige methode om het complex mengsel van chemische verbindingen die tijdens verbrandingsprocessen onderzoeken. In combinatie met afstelbare zachte ionisatie via-synchrotron gegenereerd vacuüm-ultraviolette straling, deze techniek biedt isomeer-opgelost informatie en mogelijk-fragment vrij massa spectra.

Flame Experimenten bij de Advanced Light Source: nieuwe inzichten in roetvorming Processen

Het gebruik van energiedispersieve röntgentomografie in de scanning transmissie elektronenmicroscoop om elementaire verdelingen binnen enkele nanodeeltjes in drie dimensies te karakteriseren wordt beschreven.

Energie-dispersieve X-stralen Tomografie voor 3D Elemental kaart brengen van individuele nanodeeltjes

Leer een elektroplatingmethode voor membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen met Au-gegalvaniseerde koolstofvezeldoek. Deze techniek optimaliseert elektrodeprestaties door pH-effecten te onderzoeken.

Membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen als veelbelovende schone energiebron

Meer video's verkennen