Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które wykorzystuje paliwo i utleniacz do przekształcania chemikaliów w energię elektryczną. FC mają wyższą sprawność konwersji energii niż tradycyjne silniki spalinowe, ponieważ nie są związane cyklem Carnota1. Wykorzystując paliwa takie jak wodór (H2)2, borowodorek-wodór (NaBH4)3 i amoniak (NH3)4, FC stały się obiecującym źródłem energii, które jest czyste dla środowiska i może osiągać wysoką wydajność, oferując znaczny potencjał zmniejszenia zależności człowieka od paliw kopalnych. Technologia FC stoi jednak przed szczególnymi wyzwaniami. Jednym z powszechnych problemów jest wewnętrzna rola membrany do wymiany protonów (PEM) w systemie FC, która działa jako zabezpieczenie przed wewnętrznymi zwarciami. Integracja membrany elektrolitycznej przyczynia się do zwiększenia kosztów produkcji, rezystancji obwodu wewnętrznego i złożoności architektonicznej5. Co więcej, przekształcanie jednokomorowych FC w wielostosowe wprowadza dodatkowe komplikacje ze względu na skomplikowany proces integracji kanałów przepływowych, elektrod i płytek w celu zwiększenia mocy i prądu wyjściowego5.
W ciągu ostatnich dziesięcioleci podjęto wspólne wysiłki, aby sprostać tym wyzwaniom związanym z membranami i usprawnić system FC. Warto zauważyć, że pojawienie się bezmembranowych konfiguracji FC wykorzystujących współprzepływy laminarne przy niskich liczbach Reynoldsa zaoferowało innowacyjne rozwiązanie. W takich konfiguracjach interfejs między dwoma przepływami funkcjonuje jako "wirtualna" membrana przewodząca protony6. FC oparte na przepływie laminarnym (LFFC) zostały szeroko przebadane, wykorzystując korzyści płynące z mikrofluidyki7,8,9,10. Jednak LFFC wymagają rygorystycznych warunków, w tym dużego poboru energii do pompowania paliw laminarnych/utleniaczy, łagodzenia krzyżowania się reagentów w strumieniach płynów oraz optymalizacji parametrów hydrodynamicznych.
Ostatnio, H2O2 zyskał zainteresowanie jako potencjalne paliwo i utleniacz ze względu na swoją neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla, dostarczając wodę (H2O) i tlen (O2) podczas procesów elektroutleniania i elektroredukcji na elektrodach11,12. H2O2 może być produkowany masowo w procesie redukcji dwuelektronowej lub w procesie utleniania dwuelektronowego z wody12. Następnie, w przeciwieństwie do innych paliw gazowych, ciekłe paliwo H2O2 można zintegrować z istniejącą infrastrukturą benzynową 5. Poza tym reakcja dysproporcjiH2O2umożliwia podawanie H2O2zarówno jako paliwa, jak i utleniacza. Rysunek 1A pokazuje schematyczną strukturę łatwej architektury H2O2 FC. W porównaniu do tradycyjnych FCs2,3,4, H2O2 FC wykorzystuje zalety "prostoty" urządzenia. Yamasaki i in. zademonstrowali bezmembranowe H2O2 FC, pełniące rolę zarówno paliwa, jak i utleniacza. Opisany mechanizm wytwarzania energii elektrycznej zainspirował środowiska naukowe do kontynuowania tego kierunku badań6. Następnie mechanizmy elektroutleniania i elektroredukcji wykorzystująceH2O2 jako paliwo i utleniacz były reprezentowane przez następujące reakcje13,14
W środowisku kwaśnym:
Anoda: H2O2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Katoda: H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O; Ea2 = 1,77 V vs. SHE
Razem: 2 H2O2 → 2H2O + O2
W podstawowych mediach:
H2O2 + OH- → HO2- + H2O
Anoda: HO2- + OH- → O2 + H2O + 2e-; Eb1 = 0,15 V vs. SHE
Katoda: HO2- +H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V vs. SHE
Razem: 2 H2O2 → 2H2O + O2
Rysunek 1B ilustruje zasadę działania H2O2 FCs. H2O2 oddaje elektrony na anodzie i przyjmuje elektrony na katodzie. Przenoszenie elektronów między anodą a katodą odbywa się przez obwód zewnętrzny, w wyniku czego powstaje energia elektryczna. Teoretyczny potencjał obwodu otwartego (OCP)H2O2 FC wynosi 1,09 V w środowisku kwaśnym i 0,62 V w mediach zasadowych13. Jednak liczne wyniki eksperymentalne wykazały niższe wartości, sięgające do 0,75 V w środowisku kwaśnym i 0,35 V w środowisku zasadowym, w porównaniu z teoretycznym OCP. Obserwację tę można przypisać obecności potencjału mieszanego13. Dodatkowo, moc i prąd wyjściowy H2O2 FC nie mogą konkurować ze wspomnianymi FCs2,3,4ze względu na ograniczoną selektywność katalityczną elektrod. Niemniej jednak warto zauważyć, że obecna technologia H2O2 FC może przewyższać H2, NaBH4 i NH3 FC pod względem całkowitego kosztu, jak pokazano w tabeli 1. W związku z tym zwiększona selektywność katalityczna elektrod do elektroutleniania i elektroredukcji H2O2pozostaje istotnym wyzwaniem dla tych urządzeń.
W tym badaniu wprowadzamy trójwymiarową elektrodę o porowatej strukturze, aby poprawić interakcję między elektrodą a paliwem H2O2, mając na celu zwiększenie szybkości reakcji oraz zwiększenie mocy i prądu wyjściowego. Badamy również wpływ pH roztworu i stężeniaH2O2na wydajność FC. Para elektrod użyta w tym badaniu składa się z pozłacanej galwanizowanej tkaniny z włókna węglowego i pianki niklowej. Charakterystykę strukturalną przeprowadza się za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), przy czym krzywe potencjału obwodu otwartego (OCP), polaryzacji i mocy wyjściowej służą jako podstawowe parametry do testowania FC.