Name: Bezmembranowe ogniwa paliwowe z nadtlenkiem wodoru jako obiecujące źródło czystej energii (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 39 s
Description: Poznaj metodę elektroosadzania nano-złota na włóknistej tkaninie węglowej do bezmembranowych ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru. Badanie wykazuje kluczowe znaczenie pH dla wydajności energetycznej.

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

Ta praca była wspierana przez Narodowy Program Badawczo-Rozwojowy Kluczowych Technologii Chin (2021YFA0715302 i 2021YFE0191800), Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (61975035 i 52150610489) oraz Komisję Nauki i Technologii Gminy Szanghaj (22ZR1405000).

1. Wstępne przetwarzanie materiałów
UWAGA: Pianka niklowa (dostępna na rynku, patrz Tabela Materiałów) o wymiarach 25 mm x 25 mm x 1,5 mm jest używana do anody H2O2 FC.
<ol>
	<li>Zanurz próbkę pianki niklowo-piankowej w alkoholu i wodzie dejonizowanej (DI), poddaj sonikacji trzykrotnie, 5 minut w rozpuszczalniku i wodzie. Następnie umieść piankę niklową na czystym szklanym podłożu.</li>
	<li>Wykorzystaj tkaninę z włókna węglowego (patrz Tabela materiałów) jako podłoże katody. Pokrój tkaninę węglową na kwadratowe kawałki o wymiarach 25 mm x 25 mm za pomocą nożyczek.</li>
	<li>Zanurz próbkę tkaniny węglowej w acetonie, 75% alkoholu, wodzie demineralizowanej i poddaj sonikacji trzy razy odpowiednio przez 5 minut. Następnie spłucz szmatkę węglową wodą DI, aby usunąć pozostałości alkoholu. Umieść tkaninę węglową na szklanym podłożu. 
	UWAGA: Na podstawie omówionych wyników badań15,16, Au jako katoda i Ni jako anoda zostały wybrane jako katalizatory dla H2O2 FCs. Metale takie jak Pt, Pd, Ni, Au i Ag mają specyficzną selektywność katalityczną w kierunku reakcji utleniania lub redukcjiH2O2, co czyni je odpowiednimi materiałami elektrodowymi. Elektroda światłowodowa Au@carbon oferuje połączenie aktywności elektrokatalitycznej, stabilności i zwiększonej przewodności, dzięki czemu jest odpowiednim wyborem dla bezmembranowych ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru.</li>
</ol>
2. Galwanizacja Au na tkaninie węglowej
<ol>
	<li>Przygotować odczynniki do galwanizacji zgodnie z następującymi zaleceniami: kwas chloroaurowy (HAuCl4), chlorek potasu (KCl), kwas solny (HCl) i woda DI (patrz tabela materiałów).</li>
	<li>Przygotować 80 ml roztworów (w zależności od objętości zlewki) w czystej zlewce z 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl i 0,01 M HCl. Uszczelnić otwór i mieszać roztwór przez 15 minut.</li>
	<li>Przygotuj materiał galwaniczny tkaninę węglową i roztwór galwaniczny . Proces galwanizacji prowadzony jest przez Stację Elektrochemiczną (ES) (patrz Tabela Materiałów). 
	UWAGA: Do galwanizacji wybiera się tutaj metodę trzech elektrod: tkanina węglowa jako elektroda robocza (WE), pręt grafitowy jako przeciwelektroda (CE) i Ag/AgCl (nasycony 1 M roztwór KCl) jako elektroda referencyjna (RE).</li>
	<li>Upewnij się, że każda elektroda zaciska właściwy przedmiot. Zanurz elektrody w roztworze galwanicznym.</li>
	<li>Uruchom ES. Ustaw program na metodę chronoamperometrii, jak pokazano na Rysunek 1C. Upewnij się, że pojedynczy krąg deponujący jest następujący: potencjał roboczy 0,1 V przez 0,1 s i potencjał spoczynkowy 0,2 V przez 0,2 s. W rezultacie jon AuCl4- dyfunduje równomiernie wokół WE.
	<ol>
		<li>Ustaw okręgi galwaniczne na 800, 1600, 2400 i 3200 okręgów. Uruchom program. 
		UWAGA: Zazwyczaj program metody chronoamperometrii w ES nie może osiągnąć 1600 cykli. Alternatywnie, program Multi-Potential Steps ES może być również używany do metody galwanizacji, tak samo jak metoda chronoamperometrii (patrz instrukcje producenta).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po galwanizacji zamknij ES, zapakuj odczynniki i zbierz galwaniczną tkaninę z włókna węglowego Au (Au@CF).</li>
	<li>Zanurz Au@CF w wodzie demineralizowanej trzy razy, aby usunąć pozostałości roztworu. Umieść go na szklanym podłożu do wyschnięcia na powietrzu.</li>
	<li>Wytnij nieplaterowaną część Au@CF spowodowaną przez zaciski, aby zapobiec stykaniu się części CF z roztworami.</li>
	<li>Zmierz rozmiar Au@CF (a: długość, b: szerokość) za pomocą linijki do obliczania gęstości prądu/mocy.</li>
</ol>
3. Charakterystyka wydajności FC
<ol>
	<li>Przygotować roztwory o dwóch stężeniach, jeden roztwór do gradientu pH (1 mol H2O2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), a drugi do gradientu H2O2 (CHP) (pH = 1, CHP = 0,25 mola, 0,5 mola, 1 mol, 2 mol).</li>
	<li>Scharakteryzuj wydajność FC za pomocą ES za pomocą dwóch elektrod dla OCP i trzech elektrod dla krzywych polaryzacji i mocy wyjściowej (kroki 3.3-3.6).</li>
	<li>Ponownie umyj piankę niklową i ponownie Au@CF wodą DI dwa razy. Odłóż je na bok na czas czuwania.</li>
	<li>Uzyskaj dane OCP podczas testowania FC: OCP jest kluczowym parametrem wydajności FC.
	<ol>
		<li>Używaj pianki niklowej zarówno jako RE, jak i CE, a Au@CF jako WE. Dodać roztwór do zlewki testowej. Podłącz elektrody do ES. Włącz ES.</li>
		<li>Ustaw program na Potencjał obwodu otwartego - metoda czasu; Czas trwania: 400 s, Interwał próbkowania: 0,1 s, Górny limit E: 1 V, Dolny limit E: -1 V. Uruchom program. 
		UWAGA: Często potrzeba czasu, aby wyjście FC się ustabilizowało. Przeprowadzaj pomiary do momentu uzyskania stabilnych wyników FC.</li>
		<li>Zmierz dane. Zamknij program. Umyj zlewkę i elektrody. Dodaj inne rozwiązania dla określonych testów.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przetestuj wydajność wyjściową FC na podstawie danych OCP. W tym przypadku wymagane są tylko oryginalne dane krzywej woltamperometrii liniowej przemiatania (LSV). Dalsze dane wyjściowe można obliczyć na podstawie krzywej LSV.
	<ol>
		<li>Ponownie umyj piankę niklową i Au@CF wodą DI (powtórz dwa razy). Używaj pianki niklowej jako RE i CE, Au@CF jako WE. Dodać roztwór do zlewki testowej.</li>
		<li>Ustaw program na LSV, OCP jako początkowe E, 0 V jako końcowe E, szybkość skanowania na 0,01 V/s, odpowiadającą warunkom obwodu otwartego (OCP) i zwarcia (0 V). Uruchom program.</li>
		<li>Zbierz dane, zamknij program, umyj zlewkę i elektrody, a następnie dodaj inne wymagane roztwory do określonych testów.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umyj elektrody po eksperymentach i przechowuj je na szklance. 
	UWAGA: Dane eksperymentu mogą być przechowywane w formacie EXCEL.</li>
</ol>
4. Charakterystyka strukturalna elektrod
UWAGA: XRD to łatwa i niezawodna metoda analizy próbek. XRD jest wykonywany w celu wykrycia elementów elektrod, takich jak galwanizowane Au na tkaninie węglowej. Testy XRD są wykonywane przed i po charakterystyce FC w celu analizy potencjalnej korozji i degradacji elektrod. Na przykład cząstki Au mogą odrywać się od CF, a korozja niklu może wystąpić w roztworach kwaśnych5.
<ol>
	<li>Umyj elektrody wodą DI (dwa razy) i wysusz je na powietrzu w temperaturze pokojowej.</li>
	<li>Zeskrob metale z elektrod pęsetą. Zbierz proszek metalowy i umieść go w pojemniku.</li>
	<li>Wykonaj testy XRD17na próbkach proszku metalowego.</li>
	<li>Weźmy SEM, aby scharakteryzować morfologię elektrod i zbadać infiltrację i galwanizację między złotem a tkaniną z włókna węglowego. Ponadto scharakteryzuj korozję niklu przez SEM.</li>
</ol>
5. Przetwarzanie danych i obliczanie mocy wyjściowej
<ol>
	<li>Wszystkie dane można analizować w programie EXCEL. Użyj programu Excel lub Origin, aby przeanalizować dane i wykreślić wykresy eksperymentalne.</li>
	<li>Wykorzystaj dane OCP do scharakteryzowania selektywności elektrod, np. za pomocą tabeli lub rysunku liniowego. Wykorzystaj średni potencjał legend stołów. Zazwyczaj figura liniowa jest używana do zademonstrowania stabilności FC.</li>
	<li>Użyj danych LSV, aby scharakteryzować wydajność wyjściową FC. W pliku EXCEL znajdują się dwie kolumny danych. Zazwyczaj jeden zestaw danych pokazuje potencjał (U), a drugi jest zarejestrowanym prądem (I). Oblicz moc wyjściową za pomocą następującego równania: P = U × I 
	UWAGA: Wysoka wartość prądu (I) wskazuje na zadowalającą wydajność FC. Na przykład duża powierzchnia elektrody powoduje wyższe prądy. Znormalizowanym parametrem odnoszącym się do wydajności FC jest gęstość prądu (ID), która jest równa prądowi podzielonemu przez pole powierzchni (A) elektrod: ID = I/A</li>
	<li>Następnie oblicz gęstość mocy (PD) jako: PD = U × ID 
	UWAGA: Konieczne jest przyjęcie wartości bezwzględnej, ponieważ wstępne wartości danych mogą być ujemne ze względu na kierunek prądu, co nie jest pożądane podczas pomiarów.</li>
	<li>Porównywanie parametrów za pomocą U,I, D i PD w obrębie jednej figury jest proste. Przypisz ID do osi x, U do lewej osi y, a PD do prawej osi y.</li>
</ol>

Exploring Innovative 3D Electrodes for Hydrogen Peroxide Fuel Cells

<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>

Autorzy nie mają żadnych konfliktów do zadeklarowania.

Kilka parametrów znacząco wpływa na wydajność bezmembranowego ogniwa paliwowego z nadtlenkiem wodoru, poza pH roztworu i stężeniemH2O2. Wybór materiału elektrody decyduje o aktywności i stabilności elektrokatalitycznej, podczas gdy powierzchnia elektrody może zwiększyć miejsca reakcji. Temperatura robocza wpływa na kinetykę reakcji, a natężenie przepływu reagentów może decydować o wydajności mieszania paliwa i utleniacza. Stężenie każdego zastosowanego katalizatora ma kluczowe znaczenie dla szybkośc...

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.

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Merck & Co. Inc. (MRK)</td> <td>67-64-1</td><td>roztwór do wstępnego przetwarzania materiałów</td></tr><tr><td>Alkohol</td><td>Merck & Co. Inc. (MRK)</td> <td>64-17-5</td><td>roztwór do wstępnego przetwarzania materiałów</td></tr><tr><td>Tkanina z włókna węglowego</td><td>Soochow Willtek materiały fotoelektryczne co., Ltd.</td><td>W0S1011</td><td>materiał podłoża do metody galwanologicznej</td></tr><tr><td>Stacja elektrochemiczna</td><td>&nbsp; Szanghaj Chenhua Instrument Co., Ltd.</td><td>CHI600E</td><td>urządzenie do metody galwanizacji i charakterystyki wydajności ogniw paliwowych</td></tr><tr><td>Trójwodzian chlorku złota</td><td>Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.</td><td>G141105-1g</td><td>głównej substancji rozpuszczonej do metody galwanizacji</td></tr><tr><td>Kwas solny</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td>10011018</td><td>dostosowanie pH roztworu</td></tr><tr><td>Nadtlenek wodoru</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td>10011208</td><td>paliwo ogniwa</td></tr><tr><td>Pianka niklowa</td><td>Materiały fotoelektryczne Willtek co.ltd (Soochow, Chiny)</td> <td>KSH-2011</td><td>materiał anodowy do ogniwa paliwowego z nadtlenkiem wodoru</td></tr><tr><td>Chlorek potasu</td><td>Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.</td><td>10016308</td><td>dodatki do metody galwanizacji</td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>Carl Zeiss AG</td><td>EVO 10</td><td>charakterystyka strukturalna próbki</td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd</td><td>10019718</td><td>dostosowanie pH roztworu</td></tr><tr><td>Dyfrakcja rentgenowska</td><td>Bruker Corporation</td><td>D8 Zaawansowana</td><td>charakterystyka strukturalna próbki</td></tr></tbody></table>

bezmembranowe ogniwa paliwowe z nadtlenkiem wodoru jako obiecujące źródło czystej energii

Membraneless Hydrogen Peroxide Fuel Cells as a Promising Clean Energy Source

W dogłębnym badaniu bezmembranowych ogniw paliwowych opartych na nadtlenku wodoru (H2O2 FCs), wykazano, że nadtlenek wodoru (H2O2), związek neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla, ulega rozkładowi elektrochemicznemu w celu wytworzenia H2O, O2 i energii elektrycznej. Unikalne właściwości redoksH2O2pozycjonują go jako realnego kandydata do zastosowań w zrównoważonej energii. Proponowana konstrukcja bezmembranowa rozwiązuje problemy konwencjonalnych ogniw paliwowych, w tym złożoność produkcji i wyzwania projektowe. Wprowadzono nowatorską elektrodę trójwymiarową, zsyntetyzowaną za pomocą technik galwanizacji. Wykonana z galwanizowanej Au tkaniny z włókna węglowego w połączeniu z pianką Ni, elektroda ta wykazuje ulepszoną kinetykę reakcji elektrochemicznej, co prowadzi do zwiększenia gęstości mocy dla H2O2 FC. Wydajność ogniw paliwowych jest ściśle związana z poziomem pH roztworu elektrolitu. Poza zastosowaniami FC, takie elektrody mają potencjał w przenośnych systemach energetycznych i jako katalizatory o dużej powierzchni. Niniejsze badanie podkreśla znaczenie inżynierii elektrod w optymalizacji potencjałuH2O2jako przyjaznego dla środowiska źródła energii.

Wyniki galwanizacji 
Rysunek 2 przedstawia wyniki galwanizacji. Rysunek 2A obrazuje wynik dyfrakcji rentgenowskiej. Rysunek 2B,C to mikrografie. Rysunek 2D,E to wyniki SEM. Efektywne osadzenie złota (Au) na tkaninie z włókna węglowego (CF) potwierdzono początkowo na podstawie fizycznej zmiany barwy tkaniny z czarnej na złotożółtą, co pokazano na <str...

Ten protokół wprowadza projektowanie i ocenę innowacyjnych trójwymiarowych elektrod do ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru, wykorzystujących tkaninę z włókna węglowego galwanizowanego Au i elektrody z pianki niklowej. Wyniki badań podkreślają potencjał nadtlenku wodoru jako obiecującego kandydata na zrównoważone technologie energetyczne.

Bezmembranowe ogniwa paliwowe z nadtlenkiem wodoru jako obiecujące źródło czystej energii

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

Zilustrowaliśmy metodę galwanizacji ogniw paliwowych polegającą na osadzaniu cząsteczek nano złota na tkaninie węglowej o dużej powierzchni. Pozłacana galwanizowana tkanina węglowa wykazała się większą wydajnością, służąc jako katoda do ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru. Ze względu na specyficzny mechanizm działania ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru bez użycia mięśni, naukowcy koncentrują się obecnie na opracowywaniu kompleksów metali szlachetnych jako elektrod i ulepszaniu wrażliwego obszaru tych elektrod poprzez zastosowanie nanotechnologii i chemii koordynacyjnej.W naszych badaniach nie tylko zaproponowaliśmy metodę galwanizacji do wytwarzania dużej powierzchni elektrod, ale także odkryliśmy bardzo ważną rolę pH w ogniwie paliwowym, która pozostaje zaniedbywana we wcześniej opisywanych badaniach. Istnieje wiele technik, które można wykorzystać do wytwarzania tych elektrod w skali nano, takich jak parowanie fizyczne lub chemiczne. Metody te są jednak bardzo drogie, a także czasochłonne.Ponieważ elektrody wymagają obecnie dokładności grubości, galwanizacja jest bardzo obiecującą metodą dla tych elektrod. Aby rozpocząć galwanizację złota na tkaninie z włókna węglowego, zbierz odczynniki potrzebne do galwanizacji, w tym kwas chloroaurowy, chlorek potasu, kwas solny i wodę dejonizowaną lub dejonizowaną. W czystej zlewce przygotuj 80-mililitrowy roztwór, łącząc odpowiednie ilości wszystkich odczynników w wodzie demineralizowanej.Następnie zamknij pojemnik i mieszaj roztwór przez 15 minut, aby przygotować roztwór galwanowy. Następnie ustaw materiał galwaniczny tkaninę węglową i roztwór galwaniczny w stacji elektrochemicznej lub ES i zanurz elektrody licznikowe i referencyjne w roztworze galwanicznym. Po uruchomieniu ES należy ustawić program na metodę chronoamperometrii i ustawić okręgi galwaniczne na 800, 1600, 2400 i 3200 okręgów.Następnie uruchom program. Po zakończeniu galwanizacji zamknij ES. Po zapakowaniu odczynników zbierz pozłacaną galwanizowaną tkaninę z włókna węglowego. Zanurz szmatkę trzykrotnie w wodzie DI, aby usunąć pozostałości roztworu i umieść ją na szklanej powierzchni do wysuszenia na powietrzu.Podczas galwanizacji część tkaniny z włókna węglowego, która została zaciśnięta, pozostaje nieplaterowana. Wytnij te nieplaterowane części pozłacanej galwanicznej tkaniny z włókna węglowego. Następnie za pomocą linijki zmierz długość i szerokość galwanicznej tkaniny z włókna, aby obliczyć prąd na podstawie gęstości mocy.Kolor tkaniny z włókna węglowego po galwanizacji zmienił się z czarnego na złotożółty, potwierdzając skuteczne osadzenie się na nim złota. Udane galwanowanie zostało następnie zweryfikowane za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej i skaningowej mikroskopii elektronowej lub obrazowania SEM. Obrazy SEM wykazały równomierne rozproszenie nanocząstek złota na tkaninie z włókna węglowego.Co ciekawe, oryginalna trójwymiarowa porowata struktura włókna węglowego pozostała dobrze zachowana po galwanizacji. Przejście koloru od czerni do złota nasilało się wraz ze wzrostem liczby cykli galwanizacji, co sugeruje wzrost objętości osadzania złota. To samo zostało potwierdzone na zdjęciach SEM.Na początek przygotuj dwa zestawy roztworów nadtlenku wodoru, jeden zestaw roztworów dla gradientu pH składający się z 1 molowego nadtlenku wodoru o zmiennym pH, a drugi zestaw dla gradientu stężeń złożonego z różnych stężeń nadtlenku wodoru o pH 1. Aby scharakteryzować wydajność ogniwa paliwowego lub FC przez stację elektrochemiczną lub ES, najpierw umyj elektrody z pianki niklowej i pozłacanej galwanicznej tkaniny z włókna węglowego wodą dejonizowaną dwa razy i odłóż je na bok. Aby uzyskać potencjał obwodu otwartego lub dane OCP, użyj pianki niklowej zarówno jako RE, jak i CE oraz pozłacanej galwanicznej tkaniny z włókna węglowego jako elektrody roboczej lub WE. Następnie dodać odpowiedni wcześniej przygotowany roztwór nadtlenku wodoru do zlewki testowej.Podłącz elektrody do ES przed włączeniem systemu. Ustaw program tak, aby otwierał metodę czasu potencjału obwodu, czas pracy na 400 sekund, interwał próbkowania na 0,1 sekundy, górny limit E na 1 wolt, a dolny limit E na 1 wolt. Uruchom program, aby zmierzyć dane, a następnie zamknij program.Aby przetestować wydajność wyjściową FC na podstawie danych OCP, ustaw program na LSV, OCP jako początkowe E, a 0 woltów to końcowe E, odpowiadające odpowiednio warunkom obwodu otwartego i zwarcia. Uruchom program, aby zebrać dane. Po zakończeniu zamknij program.Umyj zlewkę i elektrody przed dodaniem innych wymaganych roztworów do określonych testów. Po zakończeniu eksperymentów przechowuj umyte elektrody w szklanym lub plastikowym pudełku. Trwałość OCP FC wykazała, że różne stężenia nadtlenku wodoru o pH 1 wskazują, że we wszystkich przypadkach elektroda może działać nieprzerwanie przez co najmniej 400 sekund bez znaczącej degradacji.Stwierdzono, że wydajność FC jest wrażliwa na pH roztworu. W ekstremalnie kwaśnych i zasadowych warunkach moc wyjściowa FC była stosunkowo wysoka.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy protokół katalizowanego światłem wytwarzania nadtlenku wodoru — kofaktora przemian oksydacyjnych.

Dekarboksylacja enzymatyczna sterowana światłem

Badanie metod generowania wodoru na żądanie dla ogniw paliwowych wciąż zyskuje na znaczeniu. Jednak systemy do pomiaru wydzielania wodoru w wyniku reakcji chemikaliów z wodą mogą być skomplikowane i kosztowne. W tym artykule szczegółowo opisano prostą, tanią i solidną metodę pomiaru wydzielania się wodoru.

Prosty, tani i wytrzymały system do pomiaru objętości wodoru wydzielającego się w reakcjach chemicznych z roztworami wodnymi

Protokół tworzenia modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo jest rozwijany poprzez charakterystykę spalania i jest stosowany do testowania i badań ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem mikrorurowym.

Charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem

Efektywna produkcja energii słonecznej i wodoru została niedawno zrealizowana na funkcjonalizowanych systemach półprzewodnikowo-elektrokatalitycznych w fotoelektrochemicznym półogniwie w środowisku mikrograwitacji w Bremen Drop Tower. W tym miejscu przedstawiamy procedury eksperymentalne dotyczące wytwarzania urządzenia półprzewodnikowo-elektrokatalitycznego, szczegóły dotyczące konfiguracji eksperymentalnej w kapsule kroplowej oraz sekwencję eksperymentalną podczas swobodnego spadania.

Eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji

Reaktory membranowe umożliwiają uwodornienie w warunkach otoczenia bez bezpośredniego dopływu H2. Możemy śledzić produkcję i wykorzystanie wodoru w tych systemach za pomocą atmosferycznej spektrometrii mas (atm-MS) i spektrometrii mas chromatografii gazowej (GC-MS).

Produkcja i wykorzystanie wodoru w reaktorze membranowym

Protokół ten kieruje wytwarzaniem i analizą elektrochemiczną elektrokatalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez MXene do produkcji zielonego paliwa z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii słonecznej.

Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zCO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti, 3C,2Tx MXene

Ten protokół opisuje reproduktywalną metodę wytwarzania trwałych metalowo-organicznych ramek/polimerowych membran mieszanych i dokładnego pomiaru ich przewodnictwa protonowego w płaszczyźnie pod zmienną temperaturą i wilgotnością z wykorzystaniem spektroskopii impedancji elektrochemicznej, co może być przydatne dla ogniw paliwowych z membranami wymienników protonowych (PEMFC).

Pomiar przewodności protonowej w membranie matrycowej mieszanej na bazie MOF za pomocą spektroskopii impedancji elektrochemicznej

Prezentujemy unikalną platformę do charakteryzowania powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), która umożliwia jednoczesne wykonywanie wielu technik charakteryzacji (np. spektroskopia Ramana in situ i mikroskopia z sondą skaningową wraz z pomiarami elektrochemicznymi). Uzupełniające informacje uzyskane dzięki tym analizom mogą pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów reakcji i degradacji elektrod, dostarczając informacji na temat racjonalnego projektowania lepszych...

Sondowanie i mapowanie powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem

Pobieranie próbek gazu z płomieni na skalę laboratoryjną z analizą online wszystkich gatunków za pomocą spektrometrii mas to skuteczna metoda badania złożonej mieszaniny związków chemicznych występujących podczas procesów spalania. W połączeniu z przestrajalną miękką jonizacją za pomocą generowanego przez synchrotron promieniowania próżniowo-ultrafioletowego, technika ta dostarcza informacji o rozdzielczości izomerów i potencjalnie wolnych od fragmentów widm masowych.

Eksperymenty z płomieniem w zaawansowanym źródle światła: nowe spojrzenie na procesy tworzenia sadzy

Opisano zastosowanie tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym do scharakteryzowania rozkładów pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach w trzech wymiarach.

Tomografia rentgenowska z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3D pojedynczych nanocząstek

Poznaj metodę elektroosadzania nano-złota na włóknistej tkaninie węglowej do bezmembranowych ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru. Badanie wykazuje kluczowe znaczenie pH dla wydajności energetycznej.

Bezmembranowe ogniwa paliwowe z nadtlenkiem wodoru jako obiecujące źródło czystej energii

Przeglądaj więcej filmów