Membranløse brintoverilte brændselsceller som en lovende ren energikilde

Summary

Denne protokol introducerer design og evaluering af innovative tredimensionelle elektroder til hydrogenperoxidbrændselsceller ved hjælp af Au-galvaniseret kulfiberklud og Ni-skumelektroder. Forskningsresultaterne fremhæver brintoveriltes potentiale som en lovende kandidat til bæredygtige energiteknologier.

Abstract

I en grundig undersøgelse af membranløse hydrogenperoxidbaserede brændselsceller (H2O2FC’er) påvises hydrogenperoxid (H2O2), en kulstofneutral forbindelse, at gennemgå elektrokemisk nedbrydning for at producere_H2O, _O2 og elektrisk energi. De unikke redoxegenskaber ved_H2O2positionerer det som en levedygtig kandidat til bæredygtige energiapplikationer. Det foreslåede membranløse design adresserer begrænsningerne ved konventionelle brændselsceller, herunder fabrikationskompleksiteter og designudfordringer. En ny tredimensionel elektrode, syntetiseret via galvaniseringsteknikker, introduceres. Denne elektrode er konstrueret af Au-galvaniseret kulfiberklud kombineret med Ni-skum og viser forbedret elektrokemisk reaktionskinetik, hvilket fører til en øget effekttæthed for_H2O2FC’er. Brændselscellernes ydeevne er tæt forbundet med elektrolytopløsningens pH-niveauer. Ud over FC-applikationer har sådanne elektroder potentiale i bærbare energisystemer og som katalysatorer med højt overfladeareal. Denne undersøgelse understreger betydningen af elektrodeteknik for optimering af potentialet i H 2 O₂som en miljøvenlig energikilde.

Introduction

En brændselscelle er en elektrokemisk enhed, der bruger brændstof og oxidant til at omdanne kemikalier til elektrisk energi. FC’er har højere energikonverteringseffektivitet end traditionelle forbrændingsmotorer, da de ikke er bundet af Carnot-cyklus¹. Ved at udnytte brændstoffer som brint (H 2)₂, borhydrid-hydrogen (NaBH 4) 3 og ammoniak (NH ³) ₄ er FC’er blevet en lovende energikilde, der er miljømæssigt ren og kan opnå høj ydeevne, hvilket giver et betydeligt potentiale for at reducere menneskets afhængighed af fossile brændstoffer. FC-teknologien står dog over for specifikke udfordringer. Et fremherskende problem er den interne rolle af en protonudvekslingsmembran (PEM) i FC-systemet, der fungerer som en beskyttelse mod interne kortslutninger. Integrationen af en elektrolytisk membran bidrager til øgede fabrikationsomkostninger, intern kredsløbsmodstand og arkitektonisk kompleksitet⁵. Desuden introducerer omdannelse af enkeltrums FC’er til multi-stack arrays yderligere komplikationer på grund af den indviklede proces med at integrere flowkanaler, elektroder og plader for at forbedre strøm- og strømudgange⁵.

I løbet af de seneste årtier er der gjort en samordnet indsats for at løse disse membranrelaterede udfordringer og strømline FC-systemet. Især fremkomsten af membranløse FC-konfigurationer, der bruger laminære co-flows ved lave Reynold-tal, har tilbudt en innovativ løsning. I sådanne opsætninger fungerer grænsefladen mellem to strømme som en “virtuel” protonledende membran⁶. Laminære flowbaserede FC’er (LFFC’er) er blevet undersøgt bredt og udnytter fordelene ved mikrofluidik 7,8,9,10. LFFC’er kræver imidlertid strenge betingelser, herunder høj energitilførsel til pumpning af laminære brændstoffer / oxidanter, afbødning af reaktantkrydsning i fluidiske strømme og optimering af hydrodynamiske parametre.

For nylig har H 2 O 2 fået interesse som et potentielt brændstof og oxidant på grund af dets kulstofneutrale natur, der giver vand (H 2 O) og ilt(O₂) under elektrooxidation og elektroreduktionsprocesser ved elektroder^11,12. _H2O2kan masseproduceres ved hjælp af en to-elektronreduktionsproces eller ved en to-elektronoxidationsproces fra vand¹². Derefter kan flydende_{H2O2-brændstof}i modsætning til andre gasformige brændstoffer integreres i eksisterende benzininfrastruktur ⁵. Desuden gør H2O2-disproportioneringsreaktionen det muligt at tjene_H2O2som bådebrændstof og oxidant. Figur 1A viser en skematisk struktur af en letkøbt H 2 O₂FC’s arkitektur. I sammenligning med traditionelle FC’er ^2,3,4 udnytter H 2 O ₂FC fordelene ved enhedens “enkelhed”. Yamasaki et al. demonstrerede membranløse_H2O2FC’er, der spillede rollen som både brændstof og oxidant. Den beskrevne mekanisme for elproduktion har inspireret forskningsmiljøer til at fortsætte denne forskningsretning⁶. Derefter er elektrooxidations- og elektroreduktionsmekanismer ved anvendelse af_H2O2som brændstof og oxidant blevet repræsenteret ved følgende reaktioner ^13,14

I de sure medier:

Anode: H 2 O 2 → O 2 +_2H ⁺ + 2e ^–; E_a1 = 0,68 V mods. HUN
Katode: H 2 O 2 + 2H + ⁺ 2e^– → 2H₂ O; E_a2 = 1,77 V vs. HUN
I alt: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

I de grundlæggende medier:

H 2 O 2 + OH- → HO 2^– + H ₂ O
Anode: HO 2– + OH- → O 2 + H₂O + 2e^–; E_b1 = 0,15 V vs. HUN
Katode: HO 2– + H₂O + 2e- → 3OH^–; E_b2 = 0,87 V vs. HUN
I alt: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

Figur 1B illustrerer arbejdsprincippet for H2O2FC’er. _H2O2donererelektroner ved anoden og accepterer elektroner ved katoden. Elektronoverførsel mellem anoden og katoden sker gennem et eksternt kredsløb, hvilket resulterer i generering af elektricitet. Det teoretiske åbne kredsløbspotentiale (OCP) for_H2O2FCer 1,09 V i sure medier og 0,62 V i basiske medier¹³. Imidlertid har adskillige eksperimentelle resultater vist lavere værdier og nået op til 0,75 V i sure medier og 0,35 V i basiske medier sammenlignet med den teoretiske OCP. Denne observation kan tilskrives tilstedeværelsen af et blandet potentiale¹³. Derudover kan effekten og strømudgangen fra H 2 O 2 FC’er ikke konkurrere med de nævnte FC’er^2,3,4 på grund af elektrodernes begrænsede katalytiske selektivitet. Ikke desto mindre er det bemærkelsesværdigt, at den nuværende H 2 O 2 FC-teknologi kan overgå H₂, NaBH₄ og NH₃ FC’er med hensyn til samlede omkostninger, som vist i tabel 1. Således er den forbedrede katalytiske selektivitet af elektroder til H2O2-elektrooxidation og elektroreduktion fortsat en betydelig udfordring for disse enheder.

I denne undersøgelse introducerer vi en tredimensionel porøs strukturelektrode for at forbedre interaktionen mellem elektroden og H2O2-brændstoffet med det formål at øge reaktionshastigheden og forbedre effekt og strømudgang. Vi undersøger også virkningen af opløsningens pH- og H2O2-koncentration på FC’s præstationer. Elektrodeparret, der anvendes i denne undersøgelse, består af en guldgalvaniseret kulfiberklud og nikkelskum. Strukturel karakterisering udføres ved hjælp af røntgendiffraktion (XRD) og scanningelektronmikroskopi (SEM) med Open Circuit Potential (OCP), polarisering og effektudgangskurver, der tjener som de primære parametre til FC-test.

Protocol

1. Forbehandling af materialer BEMÆRK: Ni-skum (kommercielt tilgængeligt, se materialetabel) med 25 mm x 25 mm x 1,5 mm bruges til H 2 O2 FC’s anode. Dyp Ni-skumprøven i alkohol og deioniseret (DI) vand, soniker i tre gange, 5 minutter i opløsningsmiddel og vand. Derefter anbringes Ni-skummet på et rent glassubstrat. Brug kulfiberkluden (se materialetabel) som katodesubstrat. Skær kulkluden i 25 …

Representative Results

Galvanisering resultaterFigur 2 viser galvaniseringsresultaterne. Figur 2A angiver røntgendiffraktionsresultatet. Figur 2B,C er mikrograferne. Figur 2D,E er SEM-resultater. Den effektive afsætning af guld (Au) på kulfiberkluden (CF) blev først bekræftet ved hjælp af den fysiske farveændring i kulfiberkluden fra sort til gylden gul, som vist i…

Discussion

Flere parametre påvirker signifikant ydeevnen af en membranløs hydrogenperoxidbrændselscelle ud over opløsningens pH- og_{H2O2-koncentration}. Valget af elektrodemateriale dikterer elektrokatalytisk aktivitet og stabilitet, mens elektrodens overfladeareal kan forbedre reaktionsstederne. Driftstemperaturen påvirker reaktionskinetikken, og strømningshastigheden af reaktanter kan bestemme blandingseffektiviteten af brændstof og oxidant. Koncentrationen af enhver anvendt katalysator er afgørende fo…

Materials

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