Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое использует топливо и окислитель для преобразования химических веществ в электрическую энергию. FC имеют более высокую эффективность преобразования энергии, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания, поскольку они не связаны цикломКарно 1. Благодаря использованию таких видов топлива, как водород (H2)2, борогидрид-водород (NaBH 4)3 и аммиак (NH 3)4, FC стали перспективным источником энергии, который является экологически чистым и может достигать высоких эксплуатационных характеристик, предлагая значительный потенциал для снижения зависимости человека от ископаемого топлива. Тем не менее, технология FC сталкивается с определенными проблемами. Одной из распространенных проблем является внутренняя роль протонообменной мембраны (PEM) в системе FC, которая действует как защита от внутренних коротких замыканий. Интеграция электролитической мембраны способствует увеличению затрат на изготовление, сопротивлению внутренней цепи и архитектурной сложности5. Кроме того, преобразование односекционных ПЧ в многостековые матрицы создает дополнительные сложности из-за сложного процесса интеграции проточных каналов, электродов и пластин для увеличения выходной мощности и тока5.
За последние десятилетия были предприняты согласованные усилия для решения этих проблем, связанных с мембранами, и оптимизации системы ФК. Примечательно, что появление безмембранных конфигураций FC с использованием ламинарных копотоков при низких числах Рейнольда предложило инновационное решение. В таких установках граница раздела между двумя потоками функционирует как «виртуальная» протонпроводящая мембрана6. ФК на основе ламинарного потока (LFFC) были широко изучены с использованием преимуществ микрофлюидики 7,8,9,10. Тем не менее, LFFC требуют строгих условий, включая высокие затраты энергии на перекачку ламинарного топлива/окислителей, смягчение перекрестного потока реагентов в жидкостных потоках и оптимизацию гидродинамических параметров.
В последнее время Н2О2 вызывает интерес в качестве потенциального топлива и окислителя из-за своей углеродно-нейтральной природы, выделяя воду (Н2О)и кислород (О2) в процессах электроокисления и электровосстановления на электродах11,12. Н2О2 может быть массово получен с использованием двухэлектронного восстановительного процесса или двухэлектронного процесса окисления из воды12. Впоследствии, в отличие от других газообразных видов топлива, жидкое топливоH2O2может быть интегрировано в существующую бензиновую инфраструктуру 5. Кроме того, реакция диспропорционирования Н2О2 позволяет использовать Н2О2 как в качестве топлива, так и в качестве окислителя. На рисунке 1А показана схематическая структура архитектуры легкогоН2О2 ФК. По сравнению с традиционными FC 2,3,4, H 2 O 2FC использует преимущества «простоты» устройства. Yamasaki et al. продемонстрировали безмембранныеH2O2 FC, играющие роль как топлива, так и окислителя. Описанный механизм генерации электрической энергии вдохновил научное сообщество на продолжение данного направления исследований6. В дальнейшем механизмы электроокисления и электровосстановления сиспользованием Н2О2 в качестве топлива и окислителя были представлены следующими реакциями 13,14
В кислых средах:
Анод: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 В вс. SHE
Катод: Н2Н2Н2 +2Н++2е- →2Н2О; Ea2 = 1,77 В против ОНА
Итого: 2 Ч 2 О2 → 2Н 2 О + О 2
В основных носителях:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Анод: HO 2- + OH- → O 2 + H2O + 2e-; Eb1 = 0,15 В по сравнению с ОНА
Катод: HO2- +H2O+2E- → 3OH-; Eb2 = 0,87 В против ОНА
Итого: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
На рисунке 1Б показан принцип работы Н2О2 ФК. Н2О2 О2 отдаетэлектроны на аноде и принимает электроны на катоде. Перенос электронов между анодом и катодом происходит по внешней цепи, в результате чего происходит выработка электроэнергии. Теоретический потенциал холостого хода (OCP) H2 O2 FC составляет 1,09 В в кислых средах и 0,62 В в основных средах13. Однако многочисленные экспериментальные результаты показали более низкие значения, достигающие 0,75 В в кислых средах и 0,35 В в основных средах, по сравнению с теоретическим OCP. Это наблюдение можно объяснить наличием смешанного потенциала13. Кроме того, выходная мощность и токН2О 2 ФК не могут конкурировать с упомянутыми ФК 2,3,4 из-за ограниченной каталитической селективности электродов. Тем не менее, следует отметить, что нынешняя технология H2 O 2 FC может превзойти H2, NaBH4 и NH3 FC с точки зрения общей стоимости, как показано в таблице 1. Таким образом, повышенная каталитическая селективность электродов для электроокисления и электровосстановления Н2О2 остается существенной проблемой для этих устройств.
В этом исследовании мы представляем электрод с трехмерной пористой структурой для улучшения взаимодействия между электродом и топливомH2O2с целью увеличения скорости реакции и увеличения выходной мощности и тока. Мы также исследуем влияние рН раствора и концентрации H2 O2 на производительность ФК. Электродная пара, используемая в этом исследовании, состоит из позолоченной ткани из углеродного волокна и никелевой пены. Структурные характеристики проводятся с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), при этом в качестве основных параметров для FC-тестирования выступают кривые потенциала разомкнутой цепи (OCP), поляризации и выходной мощности.