Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

خلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية كمصدر واعد للطاقة النظيفة

Published: October 20, 2023 doi: 10.3791/65920
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 2, 3, 1, 1,4,5,6,7, 1
1Department of Materials Science & State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Fudan University, 2Center for Photonic Science and Engineering, Skolkovo Institute of Science and Technology, 3Centro de Quimica Estrutural, Institute of Molecular Sciences, Instituto Superior Tecnico, Universidade de Lisboa, 4Center for Biomedical Engineering, School of Information Science and Technology, Fudan University, 5International Institute of Intelligent Nanorobots and Nanosystems, Fudan University, 6Shanghai Frontiers Science Research Base of Intelligent Optoelectronics and Perception, Fudan University, 7Yiwu Research Institute of Fudan University

Summary

يقدم هذا البروتوكول تصميم وتقييم الأقطاب الكهربائية المبتكرة ثلاثية الأبعاد لخلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين ، باستخدام قماش ألياف الكربون المطلي بالكهرباء وأقطاب Ni-foam. تسلط نتائج البحث الضوء على إمكانات بيروكسيد الهيدروجين كمرشح واعد لتقنيات الطاقة المستدامة.

Abstract

في تحقيق متعمق لخلايا الوقود القائمة على بيروكسيد الهيدروجين بدون غشاء (H 2 O 2 FCs) ، ثبت أن بيروكسيد الهيدروجين (H 2 O 2) ، وهو مركب محايد للكربون ، يخضع للتحلل الكهروكيميائي لإنتاج H 2O ، O2 ، والطاقة الكهربائية. خصائص الأكسدة والاختزال الفريدة ل H 2O2 تضعها كمرشح قابل للتطبيق لتطبيقات الطاقة المستدامة. يعالج التصميم المقترح بدون غشاء قيود خلايا الوقود التقليدية ، بما في ذلك تعقيدات التصنيع وتحديات التصميم. يتم تقديم قطب كهربائي ثلاثي الأبعاد جديد ، يتم تصنيعه عبر تقنيات الطلاء الكهربائي. مصنوع من قماش ألياف الكربون المطلي بالكهرباء Au جنبا إلى جنب مع رغوة النيكل ، يعرض هذا القطب حركية التفاعل الكهروكيميائي المحسنة ، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة ل H 2O2 FCs. يرتبط أداء خلايا الوقود بشكل معقد بمستويات الأس الهيدروجيني لمحلول الإلكتروليت. بالإضافة إلى تطبيقات FC ، تحمل هذه الأقطاب الكهربائية إمكانات في أنظمة الطاقة المحمولة وكمحفزات ذات مساحة سطح عالية. تؤكد هذه الدراسة على أهمية هندسة الأقطاب الكهربائية في تحسين إمكانات H 2 O2كمصدر طاقة صديق للبيئة.

Introduction

خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يستخدم الوقود والمؤكسد لتحويل المواد الكيميائية إلى طاقة كهربائية. تتمتع FCs بكفاءة تحويل طاقة أعلى من محركات الاحتراق التقليدية لأنها غير ملزمة بدورة Carnot1. من خلال استخدام أنواع الوقود مثل الهيدروجين (H 2) 2 ، بوروهيدريد الهيدروجين (NaBH 4) 3 ، والأمونيا (NH 3)4 ، أصبحت FCs مصدرا واعدا للطاقة نظيفا بيئيا ويمكن أن يحقق أداء عاليا ، مما يوفر إمكانات كبيرة لتقليل اعتماد الإنسان على الوقود الأحفوري. ومع ذلك ، تواجه تقنية FC تحديات محددة. إحدى المشكلات السائدة هي الدور الداخلي لغشاء تبادل البروتون (PEM) في نظام FC ، والذي يعمل كضمان ضد الدوائر القصيرة الداخلية. يساهم تكامل الغشاء الإلكتروليتي في زيادة تكاليف التصنيع ومقاومة الدوائر الداخلية والتعقيد المعماري5. علاوة على ذلك ، فإن تحويل FCs أحادية الحجرة إلى صفائف متعددة المكدسات يؤدي إلى تعقيدات إضافية بسبب العملية المعقدة لدمج قنوات التدفق والأقطاب الكهربائية والألواح لتعزيز الطاقة ومخرجات التيار5.

على مدى العقود الماضية ، بذلت جهود متضافرة لمواجهة هذه التحديات المتعلقة بالأغشية وتبسيط نظام FC. والجدير بالذكر أن ظهور تكوينات FC الخالية من الأغشية باستخدام التدفقات المشتركة الصفحية بأرقام رينولد المنخفضة قد قدم حلا مبتكرا. في مثل هذه الإعدادات ، تعمل الواجهة بين تدفقين كغشاء "افتراضي" موصل للبروتون6. تمت دراسة FCs القائمة على التدفق الصفحي (LFFCs) على نطاق واسع ، والاستفادة من فوائد الموائع الدقيقة7،8،9،10. ومع ذلك ، تتطلب LFFCs ظروفا صارمة ، بما في ذلك مدخلات الطاقة العالية لضخ الوقود الصفحي / المؤكسدات ، والتخفيف من تقاطع المواد المتفاعلة في التيارات السائلة ، وتحسين المعلمات الهيدروديناميكية.

في الآونة الأخيرة ، اكتسب H 2 O 2 اهتماما كوقود محتمل ومؤكسد بسبب طبيعته المحايدة للكربون ، مما ينتج عنه الماء (H 2 O) والأكسجين (O2) أثناء عمليات الأكسدة الكهربائية والاختزال الكهربائي في الأقطاب الكهربائية11,12. يمكن إنتاجH 2 O2 بكميات كبيرة باستخدام عملية اختزال إلكترونين أو عن طريق عملية أكسدة ثنائية الإلكترون من الماء12. بعد ذلك ، على عكس أنواع الوقود الغازية الأخرى ، يمكن دمج وقود H 2O2 السائل في البنية التحتية الحالية للبنزين 5. إلى جانب ذلك ، فإن تفاعل عدم التناسب H 2 O 2 يجعل من الممكن تقديم H 2 O2كوقود ومؤكسد. يوضح الشكل 1A بنية تخطيطية لبنية H 2 O2FC السهلة. بالمقارنة مع FCsالتقليدية 2،3،4 ، يستخدم H 2 O2FC مزايا "بساطة" الجهاز. أظهر ياماساكي وآخرون H 2 O2FCs بدون غشاء ، حيث لعبوا دور كل من الوقود والأكسدة. ألهمت الآلية الموصوفة لتوليد الطاقة الكهربائية مجتمعات البحث لمواصلة هذا الاتجاه البحثي6. بعد ذلك ، تم تمثيل آليات الأكسدة الكهربائية والاختزال الكهربائي باستخدامH 2 O2 كوقود ومؤكسد من خلال التفاعلات التالية13,14

في الوسائط الحمضية:

الأنود: H 2 O2 → O2 + 2H + + 2e- ؛ Ea1 = 0.68 فولت مقابلثانية.
الكاثود: H 2 O 2 + 2H + + 2e- → 2H2 O ؛ Ea2 = 1.77 فولت مقابل. هي
المجموع: 2 ساعات 2 O2 → 2H2O +O 2

في وسائل الإعلام الأساسية:

H2O 2 + OH- → HO 2- + H 2O
الأنود: HO 2- + OH- → O 2 + H2 O +2e- ؛ Eb1 = 0.15 فولت مقابل. هي
الكاثود: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH- ؛ Eb2 = 0.87 فولت مقابل. هي
المجموع: 2 ساعة 2 س 2 → 2 ساعة2س +س 2

يوضح الشكل 1B مبدأ عمل H 2 O 2 FCs. H 2 O2 يمنح الإلكترونات عند الأنود ويستقبل الإلكترونات عند المهبط. يحدث نقل الإلكترون بين الأنود والكاثود من خلال دائرة خارجية ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء. جهد الدائرة المفتوحة النظري (OCP) ل H 2O2 FC هو 1.09 فولت في الوسائط الحمضية و 0.62 فولت في الوسائط الأساسية13. ومع ذلك ، فقد أظهرت العديد من النتائج التجريبية قيما أقل ، تصل إلى 0.75 فولت في الوسائط الحمضية و 0.35 فولت في الوسائط الأساسية ، مقارنة ب OCP النظري. يمكن أن تعزى هذه الملاحظة إلى وجود إمكانات مختلطة13. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن أن تتنافس الطاقة والإخراج الحالي ل H2O 2 FCs مع FCs2،3،4المذكورة بسبب الانتقائية التحفيزية المحدودة للأقطاب الكهربائية. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن تقنية H 2O 2 FC الحالية يمكن أن تتفوق على H2 و NaBH 4 و NH3 FCs من حيث التكلفة الإجمالية ، كما هو موضح في الجدول 1. وبالتالي ، فإن الانتقائية التحفيزية المحسنة للأقطاب الكهربائية للأكسدة الكهربائيةH 2 O2 والاختزال الكهربائي لا تزال تمثل تحديا كبيرا لهذه الأجهزة.

في هذه الدراسة ، نقدم قطب كهربائي ثلاثي الأبعاد للهيكل المسامي لتحسين التفاعل بين القطب ووقود H2O2 ، بهدف زيادة معدل التفاعل وتعزيز الطاقة وإخراج التيار. نحقق أيضا في تأثير درجة الحموضة في المحلول وتركيزH 2 O2 على أداء FC. يتكون زوج الأقطاب الكهربائية المستخدم في هذه الدراسة من قماش من ألياف الكربون مطلية بالذهب ورغوة النيكل. يتم إجراء التوصيف الهيكلي باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ، مع إمكانات الدائرة المفتوحة (OCP) والاستقطاب ومنحنيات خرج الطاقة التي تعمل كمعلمات أساسية لاختبار FC.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. المعالجة المسبقة للمواد

ملاحظة: تستخدم رغوة النيكل (متوفرة تجاريا، انظر جدول المواد) بمقاس 25 مم × 25 مم × 1.5 مم لأنود H 2 O2FC.

  1. اغمر عينة Ni-foam في الكحول والماء منزوع الأيونات (DI) ، صوتنة لمدة ثلاث مرات ، 5 دقائق في المذيب والماء. بعد ذلك ، ضع رغوة النيكل على ركيزة زجاجية نظيفة.
  2. استخدم قماش ألياف الكربون (انظر جدول المواد) كركيزة الكاثود. قطع قطعة قماش الكربون إلى قطع مربعة 25 مم × 25 مم باستخدام المقص.
  3. اغمر عينة القماش الكربوني في الأسيتون ، و 75٪ كحول ، وماء DI ، و sonicate ثلاث مرات لمدة 5 دقائق ، على التوالي. بعد ذلك ، اغسل قطعة القماش الكربونية بماء DI لإزالة بقايا الكحول. ضع قطعة قماش الكربون على ركيزة زجاجية.
    ملاحظة: بناء على نتائج البحث التي تمت مناقشتها ،تم اختيار 15،16 ، Au ككاثود و Ni كأنود كمحفزات ل H 2 O 2 FCs. المعادن مثل Pt و Pd و Ni و Au و Ag لها انتقائية تحفيزية محددة تجاه تفاعل الأكسدة أو الاختزال H2O2 ، مما يجعلها مواد قطب كهربائي مناسبة. يوفر قطب الألياف Au@carbon مزيجا من نشاط التحفيز الكهربائي والاستقرار والتوصيل المحسن ، مما يجعله خيارا مناسبا لخلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الغشاء.

2. الطلاء الكهربائي للاتحاد الأفريقي على قطعة قماش كربونية

  1. تحضير الكواشف للطلاء الكهربائي كما هو موضح في ما يلي: حمض الكلوروريك (HAuCl4) ، كلوريد البوتاسيوم (KCl) ، حمض الهيدروكلوريك (HCl) ، وماء DI (انظر جدول المواد).
  2. تحضير محاليل سعة 80 مل (بناء على حجم الكأس الزجاجية) في كأس زجاجية نظيفة باستخدام 0.005 M HAuCl4 و 0.1 M KCl و 0.01 M HCl. أغلق الفتحة وقلب المحلول لمدة 15 دقيقة.
  3. تحضير قماش الكربون مادة الطلاء الكهربائي ، وحل الطلاء. يتم تشغيل عملية الطلاء الكهربائي بواسطة محطة كهروكيميائية (ES) (انظر جدول المواد).
    ملاحظة: يتم اختيار طريقة ثلاثة أقطاب كهربائية هنا للطلاء: قماش الكربون كقطب عمل (WE) ، وقضيب الجرافيت كقطب كهربائي مضاد (CE) ، و Ag / AgCl (محلول مشبع 1 M KCl) كقطب كهربائي مرجعي (RE).
  4. تأكد من أن كل قطب كهربائي يقوم بتثبيت الكائن الصحيح. اغمر الأقطاب الكهربائية في محلول الطلاء.
  5. ابدأ تشغيل ES. اضبط البرنامج على طريقة قياس الكرونوأمبيرومترية ، كما هو موضح في الشكل 1C. تأكد من أن دائرة الإيداع الواحدة هي كما يلي: إمكانات العمل 0.1 فولت ل 0.1 ثانية وإمكانية الراحة 0.2 فولت ل 0.2 ثانية. نتيجة لذلك ، ينتشر AuCl4- ion بشكل موحد حول WE.
    1. اضبط دوائر الطلاء الكهربائي على 800 و 1600 و 2400 و 3200 دائرة. قم بتشغيل البرنامج.
      ملاحظة: عادة، برنامج أسلوب Chronoamperometry في ES لا يمكن تحقيق 1600 دورة. بدلا من ذلك ، يمكن أيضا استخدام برنامج الخطوات متعددة الإمكانات ل ES لطريقة الطلاء الكهربائي ، وهي نفس اختيارات طريقة Chronoamperometry (انظر تعليمات الشركة المصنعة).
  6. بعد الطلاء الكهربائي ، أغلق ES ، وقم بتعبئة الكواشف ، واجمع قطعة قماش من ألياف الكربون المطلية بالكهرباء Au (Au@CF).
  7. اغمر Au@CF في ماء DI ثلاث مرات لإزالة بقايا المحلول. ضعه على ركيزة زجاجية لتجفيفه في الهواء.
  8. قطع الجزء غير المطلي من Au@CF الناجم عن المشابك لمنع جزء من التليف الكيسي من ملامسة المحاليل.
  9. قم بقياس حجم Au@CF (أ: الطول ، ب: العرض) باستخدام مسطرة لحساب كثافة التيار / الطاقة.

3. توصيف أداء FC

  1. تحضير المحاليل بتركيزين ، محلول واحد لتدرج الأس الهيدروجيني (1 مول H 2 O 2 ، الرقم الهيدروجيني = 1 ، 3 ، 5 ، 7 ، 9 ، 11 ، 13) ، بينما الآخر لتدرج H 2 O2 (CHP) (الرقم الهيدروجيني = 1 ، CHP = 0.25 مول ، 0.5 مول ، 1 مول ،2 مول).
  2. قم بتوصيف أداء FC بواسطة ES باستخدام قطبين كهربائيين ل OCP وثلاثة أقطاب كهربائية لمنحنيات الاستقطاب وخرج الطاقة (الخطوات 3.3-3.6).
  3. أعد غسل Ni-foam Au@CF مرة أخرى بماء DI مرتين. ضعها جانبا في وضع الاستعداد.
  4. الحصول على بيانات OCP أثناء اختبار FC: OCP هو معلمة أساسية في أداء FC.
    1. استخدم Ni-foam ك RE و CE ، Au@CF ك WE. أضف المحلول إلى دورق الاختبار. قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية ب ES. قم بتشغيل ES.
    2. اضبط البرنامج على فتح جهد الدائرة - طريقة الوقت ؛ وقت التشغيل: 400 ثانية ، الفاصل الزمني للعينة: 0.1 ثانية ، حد E العالي: 1 فولت ، حد E المنخفض: -1 فولت. قم بتشغيل البرنامج.
      ملاحظة: غالبا ما يستغرق الأمر بعض الوقت حتى يستقر ناتج FC. قم بتشغيل القياسات حتى يتم الحصول على نتائج FC مستقرة.
    3. قياس البيانات. أغلق البرنامج. اغسل الدورق والأقطاب الكهربائية. أضف حلولا أخرى لاختبارات محددة.
  5. اختبار أداء مخرجات FC بناء على بيانات OCP. هنا ، مطلوب فقط بيانات منحنى Voltammetry Linear Sweep Voltammetry (LSV) الأصلية. يمكن حساب المزيد من بيانات الإخراج من منحنى LSV.
    1. أعد غسل Ni-foam و Au@CF بماء DI (كرر مرتين). استخدم رغوة النيكل ك RE و CE ، Au@CF ك WE. أضف المحلول إلى دورق الاختبار.
    2. اضبط البرنامج على LSV ، OCP ك Initial E ، 0 V ك Final E ، معدل المسح الضوئي على أنه 0.01 V / s ، يتوافق مع ظروف الدائرة المفتوحة (OCP) وماس كهربائى (0 فولت). قم بتشغيل البرنامج.
    3. اجمع البيانات ، وأغلق البرنامج ، واغسل الدورق والأقطاب الكهربائية ، وأضف الحلول الأخرى المطلوبة لاختبارات محددة.
  6. اغسل الأقطاب الكهربائية بعد التجارب وقم بتخزينها على كوب.
    ملاحظة: يمكن تخزين بيانات التجربة بتنسيق EXCEL.

4. التوصيف الهيكلي للأقطاب الكهربائية

ملاحظة: XRD هي طريقة سهلة وموثوقة لتحليل العينات. يتم أخذ XRD للكشف عن عناصر الأقطاب الكهربائية ، مثل Au المطلي بالكهرباء على قطعة قماش الكربون. يتم إجراء اختبارات XRD قبل وبعد توصيف FC لتحليل التآكل المحتمل وتدهور الأقطاب الكهربائية. على سبيل المثال ، يمكن أن تنفصل جزيئات Au عن CF ، وقد يحدث تآكل النيكل في المحاليل الحمضية5.

  1. اغسل الأقطاب الكهربائية بماء DI (مرتين) وجففها في الهواء في درجة حرارة الغرفة.
  2. كشط المعادن على الأقطاب الكهربائية مع ملاقط. جمع مسحوق معدني ووضعه في وعاء.
  3. قم بإجراء اختبارات XRD17على عينات مسحوق المعادن.
  4. خذ SEM لتوصيف مورفولوجيا الأقطاب الكهربائية والتحقيق في التسلل والطلاء الكهربائي بين قماش الذهب وألياف الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، تميز تآكل النيكل بواسطة SEM.

5. معالجة البيانات وحساب خرج الطاقة

  1. يمكن تحليل جميع البيانات في EXCEL. استخدم Excel أو Origin لتحليل البيانات ورسم الرسوم البيانية التجريبية.
  2. استخدم بيانات OCP لتوصيف انتقائية الأقطاب الكهربائية ، على سبيل المثال ، باستخدام جدول أو شكل خط. استخدم متوسط الإمكانات لوسائل إيضاح الجدول. عادة ، يتم استخدام رقم خط لإثبات استقرار FC.
  3. استخدم بيانات LSV لتوصيف أداء إخراج FC. يوجد عمودين من البيانات في ملف EXCEL. عادة ، تظهر مجموعة بيانات واحدة الجهد (U) ، ويتم تسجيل الآخر الحالي (I). احسب خرج الطاقة باستخدام المعادلة التالية: P = U × I
    ملاحظة: تظهر القيمة الحالية العالية (I) أداء مرضيا ل FC. على سبيل المثال ، تؤدي مساحة سطح القطب الكبيرة إلى تيارات أعلى. المعلمة الطبيعية المشار إليها في أداء FCs هي كثافة التيار (I D) ، والتي تساوي التيار مقسوما على مساحة السطح (A) للأقطاب الكهربائية: ID = I / A
  4. بعد ذلك ، احسب كثافة الطاقة (PD) على النحو التالي: P D = U × ID
    ملاحظة: من الضروري أخذ القيمة المطلقة ، حيث قد تكون قيم البيانات الأولية سالبة بسبب اتجاه التيار ، وهو أمر غير مرغوب فيه أثناء القياسات.
  5. تعد مقارنة المعلمات باستخدام U و I D و PD ضمن رقم واحد أمرا مباشرا. قم بتعيين ID للمحور x ، و U للمحور y الأيسر ، و PD للمحور y الأيمن.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

نتائج الطلاء الكهربائي
يوضح الشكل 2 نتائج الطلاء الكهربائي. يوضح الشكل 2 أ نتيجة حيود الأشعة السينية. الشكل 2B ، C هي الصور المجهرية. الشكل 2D ، E هي نتائج SEM. تم تأكيد الترسب الفعال للذهب (Au) على قماش ألياف الكربون (CF) لأول مرة باستخدام التغيير المادي للون قماش ألياف الكربون من الأسود إلى الأصفر الذهبي ، كما هو موضح في الشكل 2B ، C. يتم تحقيق مزيد من التحقق من خلال تحليل حيود الأشعة السينية ، والذي أظهر قمم واضحة عند 38.2 درجة و 44.4 درجة و 64.6 درجة و 77.6 درجة المقابلة ل (111) و (200) و (220) و (311) المستويات البلورية للوجه المكعب المتمركز حول الوجه (fcc) Au (بطاقة PDF رقم 04-0784) ، مما يؤكد نجاح الطلاء الكهربائي ل Au على ركيزة CF.

يمكن تقدير محتوى Au في قطب الألياف Au@carbon على النحو التالي: بدءا من 1 غرام من HAuCl4 ؛ يمكن استخدامه لحوالي 15 جلسة طلاء كهربائي. يتم حساب محتوى الذهب (mAu) من 1 غرام من HAuCl4 باستخدام الصيغة:

Equation 1

وفقا للتقدير mAu = 0.58 جم. عند تقسيمها على 15 جلسة ، يحتوي كل محلول طلاء كهربائي على الوزن التالي لأيونات Au3+ :

Equation 2

ومع ذلك ، من الضروري ملاحظة أنه لا يتم ترسيب جميع أيونات Au3+ في المحلول على قطعة قماش من ألياف الكربون أثناء عملية الطلاء الكهربائي. ومن ثم، تحتوي كل قطعة قماش من ألياف الكربون على أقل من 0.039 g من Au.

تشير صور SEM في الشكل 2D-I إلى تشتت منتظم لجسيمات Au النانوية عبر قماش ألياف الكربون. ومن اللافت للنظر أن الهيكل المسامي الأصلي ثلاثي الأبعاد ل CF ظل محفوظا جيدا بعد الطلاء الكهربائي. هذا الحفظ أمر بالغ الأهمية ، لأنه يوفر مساحة سطح كبيرة للتفاعل مع وقود H 2 O2، وبالتالي تحسين معدل التفاعل وإنتاج الطاقة.

يوضح الشكل 3 Au@CFs تعرضوا لأعداد متفاوتة من دورات الطلاء الكهربائي. يسلط الشكل 3 أ الضوء على تقدم لون قماش ألياف الكربون المطلي بالكهرباء Au. يشير انتقال اللون من الأسود الأصلي ل CF إلى ذهب Au ، والذي اشتد من الضوء إلى الظلام ، إلى زيادة في حجم Au المترسب على CF مع زيادة عدد دورات الطلاء الكهربائي. يأتي المزيد من الدعم لهذا الاستنتاج من صور SEM ، الشكل 3B-E ، والتي تكشف عن التوزيع المتطور ل Au عبر قماش ألياف الكربون.

نتائج أداءH 2 O2 FC
تم قياس OCP ل FCs لتركيزات مختلفة من الأس الهيدروجيني للمحلولوتركيزات H 2 O 2 ، مما يساعد على تفسير الخصائص الكهروكيميائية ل H 2 O2 FCs. لوحظ اعتماد OCP الصريح على كل من تركيز الأس الهيدروجيني و H 2 O2. تم تحقيق أعلى OCP عند درجة حموضة 1 وتركيز H 2 O2من 0.25 مول. تتفق نتائج OCP المتعلقة بالرقم الهيدروجيني مع الدراسات السابقة التي تشير إلى أن عدم التناسب H 2 O2وأداء FC يعتمدان بشكل كبيرعلى الأس الهيدروجيني 18. يساعد انخفاض الرقم الهيدروجيني على استقرار محاليل H 2 O 2 ، حيث يمكن اعتبار H 2 O2حمضا ضعيفا. يمكن ملاحظة التحلل الكيميائي الكبير ل H2 O2 في المحاليل الأساسية ذات الرقم الهيدروجيني أعلى من 11 بوضوح. إلى جانب ذلك ، وفقا لمعادلة نرنست18 ، يزداد OCP عادة مع زيادة تركيز الإلكتروليتات. ومع ذلك ، على عكس FCs الأخرى ، ينخفض OCP ل H 2 O 2 FCs مع زيادة تركيز H 2 O 2، خاصةباستخدام أقطاب Au19. يفترض أن هذه الملاحظة ترجع إلى الإمكانات المختلطة أو انتقائية القطب المحدودة. يؤدي التركيز العالي إلى ارتفاع معدل التحلل الكيميائي ، وبالتالي تقليل OCP. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث للتحقيق في هذه الملاحظة بمزيد من التفصيل.

تم الحصول على منحنيات الاستقطاب وخرج الطاقة باستخدام حلول محددة وظروف دائرة الطلاء الكهربائي. تم الحصول على الحد الأقصى لخرج الطاقة في الظروف المثلى باستخدام ظروف دائرة الطلاء الكهربائي المحددة (درجة الحموضة 1 ، H 2 O2تركيز 1 مول ، دائرة الطلاء الكهربائي 3200). باستخدام ظروف الحل المثلى ، تم الحصول على الحد الأقصى لخرج الطاقة في الظروف المثلى (درجة الحموضة 1 ، H2 O 2 تركيز2 مول). قيمة خرج الطاقة القصوى هذه أعلى بكثير من تلك التي تم الحصول عليها في الظروف غير المثلى ، مما يسلط الضوء بشكل أكبر على أهمية تحسين دوائر الطلاء الكهربائي وظروف الحل لتحقيق H 2 O2 FCs عالية الأداء.

تظهر H 2O2 FCs ثباتا مرضيا باستخدام الظروف المثلى أثناء القياسات المستمرة لمدة 400 ثانية.

أظهر تحليل XRD17 من أقطاب Ni-foam و Au@CF (قبل وبعد اختبارات أداء FC) تغييرات طفيفة ، مما يشير إلى مقاومة تآكل مرضية للأقطاب الكهربائية باستخدام ظروف التشغيل المثلى. باتباع البروتوكول المبين ، يتم توضيح النتائج المرصودة وتظهر الأداء المحسن ل H 2 O2FC باستخدام القطب المسامي ثلاثي الأبعاد.

نتيجة إيجابية:
كما هو موضح في الشكل 4 أ ، لوحظت زيادة في الطاقة وكثافة التيار مع عدد أكبر من دورات الطلاء الكهربائي. تعزى هذه الملاحظة إلى المزيد من Au المطلي على CF مع دورات طلاء كهربائي أكبر ، مما يوفر مادة أكثر نشاطا لتسهيل التفاعلات الكهروكيميائية. ومع ذلك ، فإن تحسين أداء FC لا يزيد بشكل متناسب مع عدد دورات الطلاء الكهربائي. تم تسجيل تحسن متواضع بنسبة 20٪ تقريبا في كثافة التيار والطاقة عندما تضاعفت دورات الطلاء الكهربائي من 800 إلى 1600. واقترح أن الطلاء الكهربائي المفرط قد يؤدي إلى تكوين طبقة تغلف النانو Au ، مما يقلل من كفاءة النقل الجماعي. يمكن أن توفر هذه النتيجة رؤى قيمة حول طريقة الطلاء الكهربائي لتصنيع المحفز.

يوضح الشكل 4B متانة جهد الدائرة المفتوحة (OCP) ل H 2 O2FC بتركيزات مختلفة في المحاليل ذات الأس الهيدروجيني 1. تشير البيانات إلى أن القطب الكهربائي يمكن أن يعمل بشكل مستمر لمدة 400 ثانية على الأقل دون تدهور كبير ، مما يدل على متانة الأقطاب الكهربائية المصنعة من خلال الطلاء الكهربائي.

ومن المثير للاهتمام ، أن OCP ل H 2O2 FC تجاوز القيمة النظرية في كل من الوسائط الحمضية والأساسية ، مما يشير إلى أن القطب المصمم يحفز بشكل فعال التفاعلات داخل FC. تم العثور على الطاقة والناتج الحالي ل FC لزيادة مع تركيز H 2 O2، لتصل إلى ذروتها عند درجة حموضة محددة. تؤكد هذه الملاحظة فعالية القطب وتسلط الضوء على تأثير درجة الحموضة في المحلول وتركيز H 2 O2على أداء FC.

يعرض الشكل 4C منحنيات استقطاب FC وكثافة الطاقة في ظل الظروف المثلى. تم تحقيق كثافة طاقة قصوى تبلغ حوالي 0.8 واط م -2 عند تركيز H 2 O 2 من2M ودرجة حموضة 1 ، مما يدل على كفاءة القطب المسامي ثلاثي الأبعاد في تسهيل تفاعلات FC وتعزيز إنتاج الطاقة.

نتيجة سلبية:
من ناحية أخرى ، لوحظت نتائج دون المستوى الأمثل بتركيزات عاليةللغاية H 2 O2. كما هو موضح في الشكل 4C ، فإن الزيادة في تركيز H 2 O 2 بما يتجاوز النقطة المثلى لا تؤدي إلى زيادة نسبية مقابلة في الأداء ، مما يؤكد وجود تركيز H2 O2 مثالي لتشغيل FC لتحقيق التوازن بين استخدام الوقودوإخراج الأداء. على سبيل المثال ، زادت كثافة الطاقة القصوى بنحو 44٪ من 0.56 واط م -2 إلى 0.81 واط م -2 عندما زاد تركيز H 2 O 2 ثماني مرات من 0.25 م إلى 2م.

علاوة على ذلك ، وجد أن أداء FC حساس لدرجة الحموضة في المحلول. في ظل الظروف الحمضية والقاعدية القاسية (قيم الأس الهيدروجيني أقل من 3 وما فوق 11) ، كان خرج الطاقة من FC مرتفعا نسبيا ، كما هو موضح في الشكل 4D.

توضح هذه النتائج كيف تؤثر المعلمات المختلفة على أداء H 2 O2 FCs. مع مزيد من التحسين للتركيب الكيميائي وتطوير محفزات كهربائية أكثر انتقائية ، يمكن لجهاز الطاقة الواعد والصديق للبيئة هذا أن يجد تطبيقات عملية. يوضح الجدول 1 تكاليف الوقود التنافسية والطاقة المولدة على أنظمة FC20،21،22.

Figure 1
الشكل 1: التمثيل التخطيطي لهذه الدراسة. (أ) التكامل التخطيطي ل FC واحد بدون غشاء. (ب) مبدأ عمل H 2 O2 FC. (ج) عملية طريقة الطلاء الكهربائي مع المعالجة المسبقة على قماش ألياف الكربون ، محلول الطلاء الكهربائي 5 mM HAuCl4 ، 1 M HCl ، وبرنامج الطلاء الكهربائي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: التوصيف الهيكلي ل 1600 دائرة مطلية بالكهرباء Au@CF . (أ) XRD نتيجة Au@CF. (ب) صورة مجهرية للتليف الكيسي قبل الطلاء الكهربائي. (ج) صورة مجهرية ل CF بعد إيداع Au. (د، ه)؛ (و، ز)؛ و (H ، I) هي نتائج SEM ل CF قبل الطلاء الكهربائي ، وبعد الطلاء الكهربائي ، وبعد اختبارات الأداء ، على التوالي. قضبان المقياس: (D) ، 20 ميكرومتر ؛ (E ، G) ، 1 ميكرومتر ؛ (F ، H ، I) ، 10 ميكرومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: نتائج Au@CF تحت دوائر الطلاء الكهربائي المختلفة للصورة المجهرية و SEM (أ) من اليسار إلى اليمين توجد 0 و 800 و 1600 و 2400 و 3200 دائرة طلاء كهربي Au@CF على الترتيب. (B-E) هي صور SEM لدوائر طلاء كهربائي Au@CF أقل من 800 و 1600 و 2400 و 3200 على التوالي. قضبان المقياس: (B ، D) ، 10 ميكرومتر ؛ (C) ، 2 ميكرومتر ؛ (ه) ، 3 ميكرومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 4
الشكل 4: توصيف أداء FC. (أ) منحنيات الاستقطاب (يسار) وخرج الطاقة (يمين) باستخدام دوائر طلاء كهربائي مختلفة (800 ، 1600 ، 2400 ، 3200 دائرة) في الرقم الهيدروجيني = 1 ، CHP = 1 M المحاليل. (ب) اختبار OCP تحت تركيزات مختلفة H 2 O 2 (0.25 M ، 0.5 M ، 1 M ، 2 M H 2 O 2) في محلول pH = 1 ومع 1600 دائرة مطلية بالكهرباء Au@CF لمدة 400 ثانية. (ج) منحنى الاستقطاب (يسار) وخرج الطاقة (يمين) تحت تركيزات مختلفة H 2 O 2(0.25 M ، 0.5 M ، 1M ، 2M) في درجة الحموضة = 1 محاليل ومع 1600 دائرة مطلية بالكهرباء Au@CF. (د) منحنيات OCP والكثافة القصوى للتيار في ظل ظروف أس هيدروجيني مختلفة تتراوح من الأس الهيدروجيني = 1 إلى 13 في 1 M H 2 O2محاليل ومع 1600 Au@CF دوائر مطلية بالكهرباء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الوقود الطاقة الحرة (كيلوجول / مول) تكلفة الوقود تكلفة الطاقة (دولار / كيلوواط) مرجع
هيدروجين -237 6.9 دولار / كجم 200 20
NaBH4 -1273 55 $/كغ 10.2 21
ح 2س2 -120 1.8 دولار / طن (بالجملة) 1.84 22

الجدول 1: التكاليف التنافسية للوقود وتكلفة الطاقة المولدة على أنظمة FC.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تؤثر العديد من المعلمات بشكل كبير على أداء خلية وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية بما يتجاوز درجة الحموضة وتركيز H 2 O2. يحدد اختيار مادة القطب نشاط التحفيز الكهربائي والاستقرار ، في حين أن مساحة سطح القطب يمكن أن تعزز مواقع التفاعل. تؤثر درجة حرارة التشغيل على حركية التفاعل ، ويمكن أن يحدد معدل تدفق المواد المتفاعلة كفاءة خلط الوقود والمواد المؤكسدة. يعد تركيز أي عامل حفاز مستخدم أمرا محوريا لمعدلات التفاعل ، ويمكن للشوائب أن تثبط العامل الحفاز أو تسممه. يؤثر تصميم خلية الوقود ، بما في ذلك تباعد الأقطاب الكهربائية وهندسة قناة التدفق ، على النقل الجماعي والحركية. يؤثر نوع وتركيز المنحل بالكهرباء على الموصلية الأيونية ، ويمكن لمقاومة الدائرة الخارجية وتصميمها تغيير المعلمات التشغيلية مثل كثافة التيار والقدرة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يلعب تركيز الأكسجين ، وهو منتج ثانوي لتحلل H 2 O2في وجود محفزات محددة ، دورا في أداء الخلية. يعد تحسين هذه المعلمات أمرا ضروريا لكفاءة ومتانة خلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية7،8،9،10.

ركز التحقيق على تصنيع قطب مسامي ثلاثي الأبعاد مصمم خصيصا لخلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين (H 2 O2 FCs) ،وتعزيز أداء خلية الوقود من خلال تنظيم معلمات المحلول11,12. تم تأكيد الطلاء الكهربائي الناجح ل Au على CF باستخدام تحليل XRD وتصوير SEM. أظهر قطب Au@CF المسامي ثلاثي الأبعاد الناتج أداء قويا في H 2 O 2 FCs فيظل ظروف الحل المثلى (درجة الحموضة 1 ، H 2 O 2 تركيز 2M) ، وتم تحقيق نسبة الأداء المثلى عند 1600 دورة طلاء كهربائي ، كما هو موضح بواسطة OCP ، خرج الطاقة ، والاستقرار الفائق.

تحمل هذه النتائج آثارا محورية لتصميم وتطوير أقطاب كهربائية فعالةل H 2 O2 FCs. يستعد الهيكل المسامي ثلاثي الأبعاد لزيادة مساحة التلامس إلى أقصى حد باستخدام وقود H 2 O 2 ، مما قد يعزز معدل التفاعل الكهروكيميائي ويعزز إنتاج الطاقة من FCs. بالإضافة إلى ذلك ، تشير مقاومة التآكل الملحوظة لقطب Au@CF إلى أن المواد المختارة لديها القدرة على التشغيل المستقر على المدى الطويل ل H 2 O2FCs.

تتطلب بعض العناصر الحاسمة دراسة دقيقة لزيادة تحسين أداء H 2 O2FCs باستخدام قطب كهربائي ثلاثي الأبعاد للهيكل المسامي. ومن أهم هذه العوامل تصنيع القطب المسامي. تعتبر المعالجة السطحية المناسبة وتنظيم توزيع حجم المسام ذات أهمية قصوى ، حيث تؤثر هذه العوامل بشكل مباشر على كفاءة التحفيز الكهربائي للقطب الكهربائي. علاوة على ذلك ، فإن إدارة تركيز H2 O2 ودرجة حموضة المحلول أمر بالغ الأهمية. يمكن أن يتضاءل أداء FC بسبب التركيز المفرط أو غير الكافي H 2O2 ، كما لوحظ في التجارب ، ولوحظ اتجاه مماثل عندما انحرف الرقم الهيدروجيني للمحلول عن النطاق الأمثل.

لتحسين أداء H 2 O2FC في ظل الظروف المثلى ، قد يكون هناك ما يبرر بعض التعديلات. على سبيل المثال ، يمكن تحسين عملية معالجة سطح القطب لتحقيق نطاق أكثر تنوعا من أحجام المسام ، مما قد يعزز حركية التفاعل. عندما لا يتحقق خرج الطاقة المتوقع ، قد تكون هناك حاجة إلى خطوات بحث محددة ، والتي يمكن أن تنطوي على ضبط تركيز H 2 O2، وضبط الرقم الهيدروجيني ، والتفكير في معلمات أخرى ، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط ، والتي يمكن أن تؤثر على أداء FCs.

في حين أن التطوير الناجح للقطب الكهربائي الجديد والنتائج الواعدة من اختبارات FCs تمهد الطريق للتطبيقات المحتملة ل H 2 O 2 في تكنولوجيا الطاقة النظيفة ، هناك ما يبرر إجراء مزيد من الأبحاث لتحسين تصميم القطب والانتقائية ومساحة السطح نحو التطبيقات العملية H 2 O2FC.

يؤكد السلوك المرصود في H 2 O2FCs الخالية من الأغشية على التفاعل المعقد بين ديناميكيات الأس الهيدروجيني وتركيز بيروكسيد الهيدروجين. أداء H 2 O2FCs ليس مجرد وظيفة لتصميم القطب الكهربائي ولكنه يتأثر بشدة بالتركيب الكيميائي للإلكتروليت. عند التركيز الأمثل للأس الهيدروجينيوH 2 O2 ، يتم تسهيل التفاعلات الكهروكيميائية ، مما يؤدي إلى نقل الإلكترون بكفاءة وتعزيز إنتاج الطاقة. يمكن أن يعزى تأثير الأس الهيدروجيني إلى دوره في تعديل نشاط البروتون وإمكانات الأكسدة والاختزال للنظام. يضمن الرقم الهيدروجيني المتوازن أن التفاعلات الكهروكيميائية في كل من الأنود والكاثود تسير بسلاسة دون أي عائق13,14. من ناحية أخرى ، يؤثر تركيز H2 O2 بشكل مباشر على توافر المواد المتفاعلة. يضمن التركيز الأمثل وجود إمداد ثابت من جزيئات H 2 O2للمشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال ، وبالتالي توليد تدفق ثابت للإلكترونات. ومع ذلك ، فإن أي انحراف عن هذا التوازن ، إما درجة حموضة غير متوازنة أو تركيز H 2 O2دون المستوى الأمثل ، يمكن أن يعطل تدفق الإلكترون ، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء. من المعقول أنه عند مستويات الأس الهيدروجيني القصوى ، قد تتعرض بنية أو نشاط المحفز للخطر ، أو قد تصبح التفاعلات الجانبية سائدة. وبالمثل ،فإن تركيزات H 2 O2المنخفضة جدا أو العالية جدا قد تؤدي إما إلى تجويع التفاعل أو تؤدي إلى تشبعه ، على التوالي. في جوهرها ، يعد التآزر بين درجة الحموضة وتركيز البيروكسيد أمرا محوريا في تحديد كفاءة H2 O2 FCs. قد توضح الأبحاث المستقبلية بشكل أعمق في فهم هذه المعلمات ، مما قد يؤدي إلى إطلاق العنان لأداء أكبر من أجهزة الطاقة المستدامة هذه.

خطوات حاسمة
تعد عملية الطلاء الكهربائي للذهب (Au) على قماش الكربون حجر الزاوية في تصنيع الأقطاب الكهربائية ثلاثية الأبعاد. تعتبر جودة الطبقة الذهبية وتوحيدها وسمكها أمرا بالغ الأهمية لأنها تؤثر بشكل مباشر على السمات الكهروكيميائية للقطب الكهربائي. توفر تقنية قياس الكرونوأمبيرومتر، التي تم اختيارها لهذه العملية، ميزة ضمان ترسب متسق ومتساو للذهب على القماش. ومع ذلك ، يجب تحقيق توازن دقيق في تحديد عدد دورات الطلاء الكهربائي. تؤدي الدورات الكثيرة جدا إلى الإفراط في طلاء الذهب ، مما قد يضر بالطبيعة المسامية المتأصلة لقماش ألياف الكربون ، مما يؤثر على كفاءته. يعد إعداد حل H 2 O2خطوة حاسمة أخرى تتطلب الدقة. يعد مستوى الأس الهيدروجيني وتركيز محلول H 2 O2مفيدا في تحديد أداء FC. لاحظ البحث وجود علاقة مباشرة بين هذه المعلمات ومخرجات FC ، مما يسلط الضوء على أهمية إعداد الحل الدقيق.

التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
كان إدخال قطب مسامي ثلاثي الأبعاد تعديلا مهما يهدف إلى تعزيز التفاعل بين القطب ووقود H 2 O2. كان الهدف الأساسي وراء هذا الابتكار في التصميم هو تسريع معدل التفاعل الكهروكيميائي ، وبالتالي زيادة كل من الطاقة والمخرجات الحالية. ومع ذلك ، في حين أن التصميم واعد ، قد تتطلب عملية الطلاء الكهربائي مزيدا من التحسينات لضمان توافق خصائص القطب مع النتائج المرجوة. أكد البحث على حساسية أداء FC لدرجة الحموضة والتركيز في محلول H2O2. يمكن أن تؤدي أي انحرافات عن المعلمات المثلى إلى انخفاض مخرجات الطاقة أو حتى عدم الاستقرار في تشغيل FC. كإجراء لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها ، يمكن أن يؤدي ضبط هذه المعلمات إلى تصحيح مشكلات الأداء.

القيود
على الرغم من التطورات ، فإن تقنية H 2 O2FC الحالية لها قيود معينة. عند وضعها جنبا إلى جنب مع تقنيات خلايا الوقود الأخرى ، تميل H2O2 FCs إلى إظهار طاقة ومخرجات تيار أقل. السبب الرئيسي لذلك هو الانتقائية التحفيزية المحدودة للأقطاب الكهربائية. يعتمد أداء H 2 O 2 FC بشكل كبير على درجة حموضة المحلول وتركيز H 2 O2. تشير هذه الحساسية إلى أن هناك نافذة تشغيل ضيقة نسبيا يمكن من خلالها ل FC تحقيق أفضل النتائج.

الأهمية فيما يتعلق بالأساليب الحالية
تختلف بنية H2O 2 FC الخالية من الأغشية اختلافا كبيرا عن خلايا الوقود التقليدية1،2،3،4. يتحايل اختيار التصميم هذا بشكل فعال على العديد من التحديات التي ابتليت بها FCs التقليدية ، مثل التكاليف المرتفعة المرتبطة بالتصنيع والتعقيدات الكامنة في تصميمها. إن إدخال قطب كهربائي ثلاثي الأبعاد في هذا البحث يغير قواعد اللعبة. من خلال تسهيل حركية التفاعل الكهروكيميائي المحسنة ، يبشر تصميم القطب هذا بتحقيق كثافة طاقة أعلى ل H2O2 FCs ، مما يميزها عن التصميمات التقليدية.

التطبيقات المستقبلية لهذه التقنية
بالإضافة إلى تطبيقها في خلايا الوقود ، تتمتع الأقطاب الكهربائية ثلاثية الأبعاد بإمكانات أوسع. يمكن دمجها في أنظمة الطاقة المحمولة أو حتى استخدامها كمحفزات عالية السطح. يمكن أن يحفز هذا التنوع تطور أجهزة الطاقة المدمجة والفعالة المناسبة للتطبيقات المتنوعة. يعد العمل الرائد على H2O2 FCs أمرا بالغ الأهمية في التحول العالمي من الاعتماد على الوقود الأحفوري إلى اعتماد بدائل طاقة أكثر صداقة للبيئة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

المؤلفون ليس لديهم تعارضات للإعلان.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل البرنامج الوطني للبحث والتطوير في مجال التقنيات الرئيسية في الصين (2021YFA0715302 و 2021YFE0191800) ، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (61975035 و 52150610489) ، ولجنة العلوم والتكنولوجيا في بلدية شنغهاي (22ZR1405000).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone Merck & Co. Inc. (MRK) 67-64-1 solution for pre-process of materials
Alcohol Merck & Co. Inc. (MRK) 64-17-5 solution for pre-process of materials
Carbon fiber cloth Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd. W0S1011 substrate material for electroplating method
Electrochemistry station  Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd. CHI600E device for electroplating method and fuel cell performance characterization
Gold chloride trihydrate Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. G141105-1g main solute for electroplating method
Hydrochloric acid Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd 10011018 adjustment of solution pH
Hydrogen peroxide Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd 10011208 fuel of cell
Nickel foam Willtek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China) KSH-2011 anode material for hydrogen peroxide fuel cell
Potassium chloride Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. 10016308 additives for electroplating method
Scanning electron microscope Carl Zeiss AG EVO 10 structural characterization for sample
Sodium hydroxide Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd 10019718 adjustment of solution pH
X-Ray differaction machine Bruker Corporation D8 Advance structural characterization for sample

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

خلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية ، مصدر الطاقة النظيفة ، التحلل الكهروكيميائي ، خصائص الأكسدة والاختزال ، تطبيقات الطاقة المستدامة ، التصميم بدون غشاء ، القطب ثلاثي الأبعاد ، تقنيات الطلاء الكهربائي ، حركية التفاعل الكهروكيميائي المحسنة ، كثافة الطاقة ، مستويات PH لمحلول المنحل بالكهرباء ، أنظمة الطاقة المحمولة ، محفزات مساحة السطح العالية ، هندسة الأقطاب الكهربائية ، مصدر طاقة صديق للبيئة
خلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية كمصدر واعد للطاقة النظيفة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhu, F., Chen, G., Kuzin, A., Gorin, … More

Zhu, F., Chen, G., Kuzin, A., Gorin, D. A., Mohan, B., Huang, G., Mei, Y., Solovev, A. A. Membraneless Hydrogen Peroxide Fuel Cells as a Promising Clean Energy Source. J. Vis. Exp. (200), e65920, doi:10.3791/65920 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter