Summary
Dit protocol introduceert het ontwerp en de evaluatie van innovatieve driedimensionale elektroden voor waterstofperoxide-brandstofcellen, waarbij gebruik wordt gemaakt van Au-gegalvaniseerde koolstofvezeldoek en Ni-schuimelektroden. De onderzoeksresultaten benadrukken het potentieel van waterstofperoxide als een veelbelovende kandidaat voor duurzame energietechnologieën.
Abstract
In een diepgaand onderzoek van membraanloze brandstofcellen op basis van waterstofperoxide (H 2 O 2 FC's) is aangetoond dat waterstofperoxide (H 2 O 2), een koolstofneutrale verbinding, elektrochemische ontleding ondergaat om H 2 O, O 2en elektrische energie te produceren. De unieke redoxeigenschappen van H 2O2 maken het een levensvatbare kandidaat voor duurzame energietoepassingen. Het voorgestelde membraanloze ontwerp pakt de beperkingen van conventionele brandstofcellen aan, waaronder de complexiteit van de fabricage en ontwerpuitdagingen. Een nieuwe driedimensionale elektrode, gesynthetiseerd via galvaniseertechnieken, wordt geïntroduceerd. Deze elektrode is gemaakt van Au-gegalvaniseerd koolstofvezeldoek in combinatie met Ni-schuim en vertoont een verbeterde elektrochemische reactiekinetiek, wat leidt tot een verhoogde vermogensdichtheid voor H 2 O2FC's. De prestaties van brandstofcellen zijn nauw verbonden met de pH-waarde van de elektrolytoplossing. Naast FC-toepassingen hebben dergelijke elektroden potentieel in draagbare energiesystemen en als katalysatoren met een groot oppervlak. Deze studie benadrukt het belang van elektrodetechniek bij het optimaliseren van het potentieel van H2 O2 als milieuvriendelijke energiebron.
Introduction
Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat brandstof en oxidatiemiddel gebruikt om chemicaliën om te zetten in elektrische energie. FC's hebben een hogere energieomzettingsefficiëntie dan traditionele verbrandingsmotoren, omdat ze niet gebonden zijn aan de Carnot-cyclus1. Door gebruik te maken van brandstoffen zoals waterstof (H2)2, boorhydride-waterstof (NaBH 4)3 en ammoniak (NH 3)4, zijn FC's een veelbelovende energiebron geworden die milieuvriendelijk is en hoge prestaties kan leveren, wat een aanzienlijk potentieel biedt om de menselijke afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. FC-technologie staat echter voor specifieke uitdagingen. Een veel voorkomend probleem is de interne rol van een protonuitwisselingsmembraan (PEM) in het FC-systeem, dat fungeert als beveiliging tegen interne kortsluiting. De integratie van een elektrolytisch membraan draagt bij aan hogere fabricagekosten, weerstand van het interne circuit en architecturale complexiteit5. Bovendien brengt het transformeren van FC's met één compartiment in multi-stack arrays extra complicaties met zich mee als gevolg van het ingewikkelde proces van het integreren van stroomkanalen, elektroden en platen om het vermogen en de stroomuitgangen te verbeteren5.
In de afgelopen decennia zijn er gezamenlijke inspanningen geleverd om deze membraangerelateerde uitdagingen aan te pakken en het FC-systeem te stroomlijnen. Met name de opkomst van membraanloze FC-configuraties met laminaire co-flows bij lage Reynold-getallen heeft een innovatieve oplossing geboden. In dergelijke opstellingen functioneert de interface tussen twee stromen als een "virtueel" protongeleidend membraan6. Laminaire flow-based FC's (LFFC's) zijn uitgebreid bestudeerd, gebruikmakend van de voordelen van microfluïdica 7,8,9,10. LFFC's vereisen echter strenge voorwaarden, waaronder een hoge energie-input voor het verpompen van laminaire brandstoffen/oxidanten, beperking van reactant-crossover in vloeistofstromen en optimalisatie van hydrodynamische parameters.
Onlangs heeft H 2O 2 aan belangstelling gewonnen als potentiële brandstof en oxidant vanwege zijn koolstofneutrale karakter, dat water (H 2 O) en zuurstof (O 2) oplevert tijdens elektro-oxidatie- en elektroreductieprocessen bij elektroden11,12. H2 O2 kan in massa worden geproduceerd met behulp van een reductieproces met twee elektronen of door een oxidatieproces met twee elektronen uit water12. Vervolgens kan vloeibareH2O2-brandstof, in tegenstelling tot andere gasvormige brandstoffen, worden geïntegreerd in bestaande benzine-infrastructuur 5. Bovendien maakt deH2O 2 disproportionele reactie het mogelijk om H 2 O 2zowel als brandstof als oxidatiemiddel te dienen. Figuur 1A toont een schematische structuur van de architectuur van een facile H 2 O2FC. In vergelijking met traditionele FC's 2,3,4 maakt de H 2 O 2FC gebruik van de voordelen van de "eenvoud" van het apparaat. Yamasaki et al. toonden membraanloze H2 O2 FC's aan, die zowel de rol van brandstof als oxidatiemiddel spelen. Het beschreven mechanisme van de opwekking van elektrische energie heeft onderzoeksgemeenschappen geïnspireerd om deze onderzoeksrichting voort te zetten6. Vervolgens zijn elektro-oxidatie- en elektroreductiemechanismen met behulp vanH 2 O2 als brandstof en oxidant weergegeven door de volgende reacties13,14
In de zure media:
Anode: H2 O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Kathode: H 2 O 2 + 2H+ + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. ZIJ
Totaal: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
In de basismedia:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Anode: HO 2- + OH- → O 2 + H 2O + 2e-; Eb1 = 0,15 V vs. ZIJ
Kathode: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V vs. ZIJ
Totaal: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Figuur 1B illustreert het werkingsprincipe van H 2 O 2 FC's. H 2 O2 doneert elektronen aan de anode en accepteert elektronen aan de kathode. Elektronenoverdracht tussen de anode en kathode vindt plaats via een extern circuit, wat resulteert in het opwekken van elektriciteit. De theoretische open circuit potentiaal (OCP)van H 2 O2 FC is 1,09 V in zure media en 0,62 V in basische media13. Talrijke experimentele resultaten hebben echter lagere waarden aangetoond, tot 0,75 V in zure media en 0,35 V in basische media, vergeleken met de theoretische OCP. Deze waarneming kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een gemengd potentieel13. Bovendien kunnen het vermogen en de stroomuitgang van H 2 O 2 FC's niet concurreren met de genoemde FC's2,3,4 vanwege de beperkte katalytische selectiviteit van de elektroden. Desalniettemin is het opmerkelijk dat de huidige H 2 O 2 FC-technologie beter kan presteren dan H2, NaBH4 en NH3 FC's in termen van totale kosten, zoals weergegeven in tabel 1. De verbeterde katalytische selectiviteit van elektroden voor H2O2-elektro-oxidatieen -elektroreductie blijft dus een belangrijke uitdaging voor deze apparaten.
In deze studie introduceren we een driedimensionale elektrode met een poreuze structuur om de interactie tussen de elektrode enH2O2-brandstof te verbeteren, met als doel de reactiesnelheid te verhogen en het vermogen en de stroomoutput te verbeteren. We onderzoeken ook de impact van de pH van de oplossing en de H2O2-concentratieop de prestaties van de FC. Het elektrodepaar dat in dit onderzoek wordt gebruikt, bestaat uit een vergulde koolstofvezeldoek en nikkelschuim. Structurele karakterisering wordt uitgevoerd met behulp van röntgendiffractie (XRD) en scanning-elektronenmicroscopie (SEM), waarbij Open Circuit Potential (OCP), polarisatie en vermogensuitgangscurven dienen als de primaire parameters voor FC-testen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Voorbewerking van materialen
OPMERKING: Ni-schuim (in de handel verkrijgbaar, zie Materiaaltabel) met 25 mm x 25 mm x 1,5 mm wordt gebruikt voor de anode van de H2 O2 FC.
- Dompel het Ni-schuimmonster onder in alcohol en gedeïoniseerd (DI) water, sonificeer gedurende drie keer, 5 minuten in oplosmiddel en water. Plaats vervolgens het Ni-schuim op een schone glasondergrond.
- Gebruik de koolstofvezeldoek (zie Materiaaltabel) als kathodesubstraat. Knip het carbondoek met een schaar in vierkante stukken van 25 mm x 25 mm.
- Dompel het koolstofdoekmonster drie keer gedurende 5 minuten onder in aceton, 75% alcohol, DI-water en sonicaat. Spoel vervolgens de koolstofdoek met DI-water om alcoholresten te verwijderen. Plaats het koolstofdoek op een glazen ondergrond.
OPMERKING: Op basis van de besproken onderzoeksresultaten15,16 zijn Au als kathode en Ni als anode gekozen als katalysatoren voor H 2 O 2 FC's. Metalen zoals Pt, Pd, Ni, Au en Ag hebben een specifieke katalytische selectiviteit ten opzichte van H 2 O 2oxidatie- of reductiereactie, waardoor ze geschikte elektrodematerialen zijn. De Au@carbon vezelelektrode biedt een combinatie van elektrokatalytische activiteit, stabiliteit en verbeterde geleidbaarheid, waardoor het een geschikte keuze is voor membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen.
2. Galvaniseren van Au op een koolstofdoek
- Bereid reagentia voor galvaniseren voor zoals aangegeven door het volgende: chlooraurische zuur (HAuCl4), kaliumchloride (KCl), zoutzuur (HCl) en DI-water (zie Tabel met materialen).
- Bereid 80 ml oplossingen (afhankelijk van het volume van het bekerglas) in een schoon bekerglas met 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl en 0,01 M HCl. Sluit de opening af en roer de oplossing gedurende 15 min.
- Bereid het galvaniserende materiaal koolstofdoek en de platingoplossing voor. Het galvaniseerproces wordt uitgevoerd door Electrochemical Station (ES) (zie Tabel met materialen).
OPMERKING: Hier wordt een methode met drie elektroden geselecteerd voor plating: koolstofdoek als werkelektrode (WE), grafietstaaf als tegenelektrode (CE) en Ag/AgCl (verzadigde 1 M KCl-oplossing) als referentie-elektrode (RE). - Zorg ervoor dat elke elektrode het juiste object vastklemt. Dompel de elektroden onder in de platingoplossing.
- Start de ES. Stel het programma in op de chronoamperometriemethode, zoals weergegeven in figuur 1C. Zorg ervoor dat een enkele aflegcirkel als volgt is: werkpotentiaal 0.1 V gedurende 0.1 s en rustpotentiaal 0.2 V gedurende 0.2 s. Als gevolg hiervan diffundeert het AuCl 4-ion gelijkmatig rond de WE.
- Stel galvaniseercirkels in op 800, 1600, 2400 en 3200 cirkels. Voer het programma uit.
OPMERKING: Doorgaans kan het chronoamperometriemethodeprogramma in ES geen 1600 cycli bereiken. Als alternatief kan het Multi-Potential Steps-programma van ES ook worden gebruikt voor de galvaniseermethode, dezelfde selecties als de chronoamperometriemethode (zie instructies van de fabrikant).
- Stel galvaniseercirkels in op 800, 1600, 2400 en 3200 cirkels. Voer het programma uit.
- Sluit na het galvaniseren de ES, pak de reagentia in en verzamel Au gegalvaniseerde koolstofvezeldoek (Au@CF).
- Dompel de Au@CF drie keer onder in het DI-water om de oplossingsresten te verwijderen. Plaats het op een glazen substraat om aan de lucht te drogen.
- Knip het niet-geplateerde deel van de Au@CF dat door de klemmen wordt veroorzaakt om te voorkomen dat een deel van CF in contact komt met oplossingen.
- Meet de grootte van Au@CF (a: lengte, b: breedte) met een liniaal voor het berekenen van stroom-/vermogensdichtheden.
3. Prestatiekarakterisering van een FC
- Bereid oplossingen met twee concentraties, één oplossing voor pH-gradiënt (1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), terwijl de andere oplossing voor H 2 O 2 (C HP) gradiënt (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol,2 mol).
- Karakteriseer de FC-prestaties door ES met twee elektroden voor OCP en drie elektroden voor de polarisatie- en vermogensuitgangscurven (stappen 3.3-3.6).
- Was Ni-schuim opnieuw en Au@CF opnieuw twee keer met DI-water. Leg ze opzij voor stand-by.
- Verkrijg OCP-gegevens tijdens het testen van een FC: OCP is een essentiële parameter in de FC-prestaties.
- Gebruik Ni-schuim als zowel RE als CE, en Au@CF als WE. Voeg de oplossing toe aan het bekerglas. Sluit de elektroden aan op de ES. Zet de ES aan.
- Stel het programma in op Open Circuit Potential - Time Method; Looptijd: 400 s, Sample-interval: 0,1 s, Hoge E-limiet: 1 V, Lage E-limiet: -1 V. Voer het programma uit.
OPMERKING: Het duurt vaak even voordat de FC-uitgang is gestabiliseerd. Voer metingen uit totdat stabiele FC-resultaten zijn verkregen. - Meet de gegevens. Sluit het programma. Was het bekerglas en de elektroden. Voeg andere oplossingen toe voor specifieke tests.
- Test de uitvoerprestaties van FC op basis van OCP-gegevens. Hier zijn alleen originele Linear Sweep Voltammetry (LSV)-curvegegevens vereist. Verdere outputgegevens kunnen worden berekend uit de LSV-curve.
- Was Ni-schuim en Au@CF opnieuw met DI-water (herhaal twee keer). Gebruik Ni-schuim als RE en CE, Au@CF als WE. Voeg de oplossing toe aan het bekerglas.
- Stel het programma in op LSV, OCP als initiële E, 0 V als final E, scansnelheid als 0.01 V/s, overeenkomend met de voorwaarden van open circuit (OCP) en kortsluiting (0 V). Voer het programma uit.
- Verzamel de gegevens, sluit het programma, was het bekerglas en de elektroden en voeg andere vereiste oplossingen toe voor specifieke tests.
- Was de elektroden na experimenten en bewaar ze op een glas.
OPMERKING: Experimentgegevens kunnen worden opgeslagen in EXCEL-indeling.
4. Structurele karakterisering van elektroden
OPMERKING: XRD is een gemakkelijke en betrouwbare methode om monsters te analyseren. XRD wordt gebruikt om elementen van de elektroden te detecteren, zoals gegalvaniseerd Au op het koolstofdoek. XRD-tests worden voor en na FC-karakterisering uitgevoerd om mogelijke corrosie en degradatie van elektroden te analyseren. Au-deeltjes kunnen bijvoorbeeld loskomen van CF en nikkelcorrosie kan optreden in zure oplossingen5.
- Was de elektroden met gedistilleerd water (twee keer) en droog ze aan de lucht bij kamertemperatuur.
- Schraap met een pincet metalen van de elektroden af. Verzamel het metaalpoeder en doe het in een bakje.
- Voer XRD-tests17uit op de metaalpoedermonsters.
- Neem SEM om de morfologie van de elektroden te karakteriseren en infiltratie en galvanisatie tussen het goud- en koolstofvezeldoek te onderzoeken. Karakteriseer daarnaast de corrosie van nikkel door SEM.
5. Gegevensverwerking en berekening van het uitgangsvermogen
- Alle gegevens kunnen worden geanalyseerd in EXCEL. Gebruik Excel of Origin om gegevens te analyseren en experimentele grafieken te plotten.
- Gebruik de OCP-gegevens om de selectiviteit van elektroden te karakteriseren, bijvoorbeeld met behulp van een tabel of een lijnfiguur. Gebruik het gemiddelde potentieel voor tabellegenda's. Meestal wordt een lijnfiguur gebruikt om de stabiliteit van de FC aan te tonen.
- Gebruik de LSV-gegevens om de uitvoerprestaties van FC te karakteriseren. Er zijn twee kolommen met gegevens in het EXCEL-bestand. Doorgaans toont de ene dataset potentiaal (U) en de andere geregistreerde stroom (I). Bereken het uitgangsvermogen met behulp van de volgende vergelijking: P = U × I
NOTITIE: Een hoge stroomwaarde (I) duidt op een bevredigende prestatie van de FC. Een groot elektrodeoppervlak resulteert bijvoorbeeld in hogere stromen. Een genormaliseerde parameter die verwijst naar de prestaties van FC's is de stroomdichtheid (I D), die gelijk is aan de stroom gedeeld door het oppervlak (A) van de elektroden: ID = I/A - Bereken vervolgens de vermogensdichtheid (PD) als: P D = U × ID
OPMERKING: Het is essentieel om de absolute waarde te nemen, aangezien voorlopige gegevenswaarden negatief kunnen zijn vanwege de richting van de stroom, wat niet wenselijk is tijdens metingen. - Het vergelijken van parameters met behulp van U, I D en PD binnen een enkel cijfer is eenvoudig. Wijs ID toe aan de x-as, u aan de linker y-as en PD aan de rechter y-as.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultaten galvaniseren
Figuur 2 toont de resultaten van het galvaniseren. Figuur 2A geeft het resultaat van de röntgendiffractie weer. Figuur 2B,C zijn de microfoto's. Figuur 2D,E zijn de SEM-resultaten. De effectieve afzetting van goud (Au) op het koolstofvezeldoek (CF) werd voor het eerst bevestigd aan de hand van de fysieke kleurverandering in het koolstofvezeldoek van zwart naar goudgeel, zoals weergegeven in figuur 2B,C. Verdere verificatie wordt bereikt door de röntgendiffractieanalyse, die duidelijke pieken liet zien bij 38,2°, 44,4°, 64,6° en 77,6° die overeenkomen met de (111), (200), (220) en (311) kristalvlakken van vlakgecentreerde kubische (fcc) Au (PDF-kaart nr. 04-0784), waardoor het succesvol galvaniseren van Au op het CF-substraat wordt bevestigd.
Het Au-gehalte in de Au@carbon vezelelektrode kan als volgt worden geschat: beginnend met 1 g HAuCl4; Het kan worden gebruikt voor ongeveer 15 galvaniseersessies. Het goudgehalte (mAu) van 1 g HAuCl4 wordt berekend met behulp van de formule:
Volgens de schatting mAu = 0,58 g. Verdeeld over de 15 sessies bevat elke galvaniseeroplossing het volgende gewicht aan Au3+ ionen:
Het is echter essentieel op te merken dat niet alle Au3+-ionen in de oplossing tijdens het galvaniseerproces op het koolstofvezeldoek worden afgezet. Daarom bevat elke koolstofvezeldoek minder dan 0,039 g Au.
SEM-beelden in figuur 2D-I duidden op een uniforme dispersie van Au-nanodeeltjes over het koolstofvezeldoek. Opmerkelijk is dat de oorspronkelijke driedimensionale poreuze structuur van de CF goed bewaard is gebleven na het galvaniseren. Deze conservering is cruciaal, omdat het een groot oppervlak biedt voor interactie met deH2O2-brandstof , waardoor de reactiesnelheid en het vermogen worden verbeterd.
Figuur 3 illustreert Au@CFs onderworpen aan verschillende aantallen galvaniseercycli. Figuur 3A belicht het kleurverloop van het Au gegalvaniseerde koolstofvezeldoek. De kleurovergang van het oorspronkelijke zwart van de CF naar het goud van de Au, die van licht naar donker intensiveerde, suggereert een toename van het volume Au dat op de CF werd afgezet naarmate het aantal galvaniseercycli toenam. Verdere ondersteuning voor deze conclusie komt van de SEM-beelden, figuur 3B-E, die de evoluerende verdeling van Au over het koolstofvezeldoek laten zien.
H2 O2 FC prestatieresultaten
OCP van de FC's werd gemeten voor verschillende pH's van de oplossing enH2O 2-concentraties, wat helpt bij het interpreteren van deelektrochemische eigenschappen van H 2 O2 FC's. De expliciete afhankelijkheid van de OCP van zowel de pH als de H2O2-concentratiewerd waargenomen. De hoogste OCP werd bereikt bij een pH van 1 en een H 2O2 concentratie van 0,25 mol. De OCP-bevindingen met betrekking tot pH komen overeen met eerdere studies die aangeven datH2O 2-disproportionatie en FC-prestaties sterk pH-afhankelijk zijn18. Een lage pH helpt bij het stabiliseren van H 2 O 2 oplossingen, omdat H 2 O2 kan worden gezien als een zwak zuur. De substantiële chemische afbraak van H 2 O2in basische oplossingen met een pH van meer dan 11 kan duidelijk worden waargenomen. Trouwens, volgens Nernst-vergelijking18, neemt OCP doorgaans toe naarmate de concentratie van elektrolyten toeneemt. In tegenstelling tot andere FC's neemt de OCP van H 2 O 2 FC's echter af naarmate de H 2 O2-concentratie toeneemt, vooral bij gebruik van Au-elektroden19. Er wordt verondersteld dat deze waarneming te wijten is aan de gemengde potentiaal of beperkte elektrodeselectiviteiten. Een hogere concentratie leidt tot een hogere chemische afbraaksnelheid, waardoor de OCP afneemt. Desalniettemin is verder onderzoek nodig om deze waarneming in meer detail te onderzoeken.
Polarisatie- en vermogensuitgangscurven zijn verkregen met behulp van specifieke oplossingen en galvaniseercirkelomstandigheden. Het maximale vermogen werd verkregen onder de optimale omstandigheden met behulp van specifieke galvaniseercirkelomstandigheden (pH 1,H 2 O2 concentratie 1 mol, galvaniseercirkel 3200). Met behulp van optimale oplossingsomstandigheden werd het maximale vermogen verkregen onder de optimale omstandigheden (pH 1, H 2 O 2 concentratie2mol). Deze maximale uitgangswaarde is aanzienlijk hoger dan die verkregen met de niet-optimale omstandigheden, wat het belang van optimalisatie van galvaniseercirkels en oplossingsomstandigheden om hoogwaardige H 2 O2FC's te bereiken, verder benadrukt.
De H2 O2 FC's vertonen een bevredigende stabiliteit onder optimale omstandigheden tijdens continue metingen van 400 s.
XRD-analyse17 van de Ni-schuim- en Au@CF-elektroden (voor en na de FC-prestatietests) toonde verwaarloosbare veranderingen, wat wijst op een bevredigende corrosiebestendigheid van de elektroden bij optimale bedrijfsomstandigheden. Volgens het geschetste protocol worden de waargenomen resultaten geïllustreerd en tonen ze de verbeterde prestaties van de H 2 O2FC met de driedimensionale poreuze elektrode.
Positief resultaat:
Zoals weergegeven in figuur 4A, werd een toename van de vermogens- en stroomdichtheid waargenomen bij een hoger aantal galvaniseercycli. Deze waarneming wordt toegeschreven aan het feit dat er meer Au op de CF wordt geplateerd met grotere galvaniseercycli, wat een actiever materiaal oplevert voor het vergemakkelijken van elektrochemische reacties. De prestatieverbetering van de FC neemt echter niet evenredig toe met het aantal galvaniseercycli. Een bescheiden verbetering van ongeveer 20% in stroom- en vermogensdichtheden werd geregistreerd toen de galvaniseercycli verdubbelden van 800 naar 1600. Het suggereerde dat overmatig galvaniseren kan leiden tot de vorming van een laag die de nano-Au inkapselt, waardoor de efficiëntie van het massatransport afneemt. Deze bevinding kan waardevolle inzichten opleveren in de galvaniseermethode van de fabricage van katalysatoren.
Figuur 4B illustreert de duurzaamheid van de open-circuit potentiaal (OCP) vande H 2 O2 FC bij verschillende concentraties in oplossingen met een pH van 1. De gegevens geven aan dat de elektrode gedurende ten minste 400 s continu kan werken zonder significante degradatie, wat de robuustheid aantoont van elektroden die door middel van galvaniseren zijn vervaardigd.
Interessant is dat de OCP van de H 2O2 FC de theoretische waarde overtrof in zowel zure als basische media, wat suggereert dat de ontworpen elektrode effectief reacties binnen de FC katalyseert. Het vermogen en de stroomoutput van de FC bleken toe te nemen met de H2O2-concentratie, waarbij een piek werd bereikt bij een specifieke pH. Deze waarneming bevestigt de effectiviteit van de elektrode en benadrukt de invloed van de pH van de oplossing en de H2O2-concentratieop de FC-prestaties.
Figuur 4C toont de polarisatie- en vermogensdichtheidscurven van de FC onder optimale omstandigheden. Een piekvermogensdichtheid van ongeveer 0,8 W m-2 werd bereikt bij eenH2O2-concentratie van 2 M en een pH van 1, wat de efficiëntie van de driedimensionale poreuze elektrode aantoont bij het vergemakkelijken van de reacties van de FC en het verhogen van het uitgangsvermogen.
Negatief resultaat:
Aan de andere kant werden suboptimale resultaten waargenomen bij te hoge H2O2-concentraties. Zoals te zien is in figuur 4C, leidt een toename van de H2 O2-concentratie boven een optimaal punt niet tot een overeenkomstige evenredige toename van de prestaties, wat het bestaan van een ideale H2O2-concentratievoor FC-werking onderstreept om het brandstofverbruik en de prestaties in evenwicht te brengen. Zo nam de maximale vermogensdichtheid met ongeveer 44% toe van 0,56 W m-2 tot 0,81 W m-2 toen deH2 O2-concentratie acht keer toenam van 0,25 M tot 2 M.
Bovendien bleek de FC-prestatie gevoelig te zijn voor de pH van de oplossing. Onder extreem zure en basische omstandigheden (pH-waarden lager dan 3 en hoger dan 11) was het vermogen van de FC relatief hoog, zoals te zien is in figuur 4D.
Deze resultaten verduidelijken hoe verschillende parameters de prestaties van H 2 O2FC's beïnvloeden. Met verdere optimalisatie van de chemische samenstelling en de ontwikkeling van meer selectieve elektrokatalysatoren kan dit veelbelovende en milieuvriendelijke energieapparaat praktische toepassingen vinden. Tabel 1 toont de concurrerende brandstofkosten en energie die wordt opgewekt op de FC-systemen20,21,22.
Figuur 1: Schematische weergave van deze studie. (A) Schematische integratie van een enkele membraanloze FC. (B) Een werkingsprincipe van deH 2 O2 FC. (C) Het proces van galvaniseermethode met voorbewerking op koolstofvezeldoek, galvaniseeroplossing van 5 mM HAuCl4, 1 M HCl en galvaniseerprogramma. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Structurele karakterisering van 1600 gegalvaniseerde cirkels Au@CF. (A) XRD resultaat van Au@CF. (B) Microfoto van CF vóór galvaniseren. (C) Microfoto van CF na het deponeren van Au. (D,E); (F,G); en (H,I) zijn SEM-resultaten voor CF vóór respectievelijk galvaniseren, na galvaniseren en na prestatietests. Schaalbalken: (D), 20 μm; (E,G), 1 μm; (F,H,I), 10 μm. Klik hier voor een grotere versie van deze figuur.
Figuur 3: Microfoto- en SEM-resultaten van Au@CF onder verschillende galvaniseercirkels. (A) Van links naar rechts zijn respectievelijk 0, 800, 1600, 2400 en 3200 galvaniseercirkels Au@CF. (B-E) zijn SEM-beelden van Au@CF onder respectievelijk 800, 1600, 2400 en 3200 galvaniseercirkels. Schaalbalken: (B,D), 10 μm; (C), 2 μm; (E), 3 μm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Karakterisering van de prestaties van de FC. (A) Polarisatiecurven (links) en uitgangsvermogen (rechts) met behulp van verschillende galvaniseercirkels (800, 1600, 2400, 3200 cirkels) in pH = 1, CHP = 1 M oplossingen. (B) OCP-test onder verschillende H 2 O 2 concentraties (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) in pH = 1 oplossingen en met 1600 cirkels gegalvaniseerd Au@CF gedurende 400 s. (C) Polarisatiecurve (links) en uitgangsvermogen (rechts) onder verschillende H 2 O 2-concentraties(0,25 M, 0,5M, 1 M, 2M) in pH = 1 oplossingen en met 1600 cirkels gegalvaniseerd Au@CF. (D) OCP- en maximale stroomdichtheidscurven onder verschillende pH-omstandigheden, variërend van pH = 1 tot 13 in 1 M H2 O2 oplossingen en met 1600 Au@CF gegalvaniseerde cirkels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Brandstoffen | Vrije energie (kJ/mol) | Brandstofkosten | Energiekosten($/kW) | Referentie |
| Waterstof | -237 | 6.9 $/kg | 200 | 20 |
| NaBH4 | -1273 | 55 $/kg | 10.2 | 21 |
| H2 O2 | -120 | 1.8 $/ton (bulk) | 1.84 | 22 |
Tabel 1: Concurrerende kosten van brandstoffen en de kosten van energie die wordt opgewekt met behulp van de FC-systemen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Verschillende parameters hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties van een membraanloze waterstofperoxide-brandstofcel boven de pH van de oplossing en de H2O2-concentratie. De keuze van het elektrodemateriaal bepaalt de elektrokatalytische activiteit en stabiliteit, terwijl het oppervlak van de elektrode de reactieplaatsen kan verbeteren. De bedrijfstemperatuur beïnvloedt de reactiekinetiek en het debiet van reactanten kan de mengefficiëntie van brandstof en oxidatiemiddel bepalen. De concentratie van elke gebruikte katalysator is cruciaal voor reactiesnelheden, en onzuiverheden kunnen de katalysator remmen of vergiftigen. Het ontwerp van de brandstofcel, inclusief de afstand tussen de elektroden en de geometrie van het stroomkanaal, heeft invloed op het massatransport en de kinetiek. Het type en de concentratie van de elektrolyt beïnvloeden de ionische geleidbaarheid, en de weerstand en het ontwerp van het externe circuit kunnen operationele parameters zoals stroom en vermogensdichtheid veranderen. Bovendien kan de concentratie van zuurstof, een bijproduct van de afbraak van H 2 O2in aanwezigheid van specifieke katalysatoren, ook een rol spelen bij de prestaties van de cel. Het optimaliseren van deze parameters is essentieel voor de efficiëntie en duurzaamheid van membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen 7,8,9,10.
Het onderzoek was toegespitst op de fabricage van een driedimensionale poreuze elektrode die is afgestemd op waterstofperoxide-brandstofcellen (H 2 O2FC's) en de verbetering van de prestaties van de brandstofcel door de regeling van oplossingsparameters11,12. Het succesvol galvaniseren van Au op CF werd bevestigd met behulp van XRD-analyse en SEM-beeldvorming. De resulterende driedimensionale poreuze Au@CF elektrode vertoonde robuuste prestaties in H 2 O 2 FC's onder optimale oplossingsomstandigheden (pH 1, H 2 O2 concentratie2 M), en een optimale prestatieverhouding werd bereikt bij 1600 galvaniseercycli, zoals aangegeven door OCP, uitgangsvermogen en superieure stabiliteit.
Deze resultaten hebben cruciale implicaties voor het ontwerpen en ontwikkelen van efficiënte elektroden voor H 2 O2FC's. De driedimensionale poreuze structuur is klaar om het contactoppervlak met de H 2 O 2-brandstof te maximaliseren, waardoor de elektrochemische reactiesnelheid mogelijk wordt verbeterd en het vermogen van de FC's wordt verhoogd. Bovendien suggereert de opmerkelijke corrosiebestendigheid van de Au@CF elektrode dat de gekozen materialen het potentieel hebben voor een langdurige, stabiele werking van H2 O2 FC's.
Bepaalde kritische elementen vereisen een nauwgezette overweging om de prestaties van H 2O2 FC's met een driedimensionale poreuze structuurelektrode verder te verbeteren. De belangrijkste hiervan is de fabricage van de poreuze elektrode. Een goede oppervlaktebehandeling en regulering van de poriegrootteverdeling zijn van het grootste belang, omdat deze factoren rechtstreeks van invloed zijn op de elektrokatalytische efficiëntie van de elektrode. Bovendien is het beheer van de H2O2-concentratieen de pH van de oplossing van cruciaal belang. De prestaties van de FC kunnen afnemen als gevolg van een te hoge of onvoldoende H2O2-concentratie, zoals waargenomen in de experimenten, en een vergelijkbare trend werd waargenomen wanneer de pH van de oplossing afweek van het optimale bereik.
Om de prestaties van de H 2 O2FC onder optimale omstandigheden te verbeteren, kunnen bepaalde aanpassingen gerechtvaardigd zijn. Het oppervlaktebehandelingsproces van de elektrode kan bijvoorbeeld worden geoptimaliseerd om een meer divers scala aan poriegroottes te bereiken, wat de reactiekinetiek kan verbeteren. Wanneer het verwachte vermogen niet wordt bereikt, kunnen specifieke onderzoeksstappen nodig zijn, waaronder het verfijnen van deH2O2-concentratie, het aanpassen van de pH en het overwegen van andere parameters, waaronder temperatuur en druk, die van invloed kunnen zijn op de prestaties van FC's.
Hoewel de succesvolle ontwikkeling van de nieuwe elektrode en de veelbelovende resultaten van de FC-tests de weg vrijmaken voor mogelijke toepassingen van H 2 O 2 in schone energietechnologie, is verder onderzoek gerechtvaardigd om het ontwerp, de selectiviteit en het oppervlak van de elektrode te verfijnen in de richting van H 2 O2FC praktische toepassingen.
Het waargenomen gedrag in membraanloze H2 O2 FC's onderstreept de ingewikkelde wisselwerking tussen pH-dynamiek en waterstofperoxideconcentratie. De prestaties van H2 O2 FC's zijn niet alleen een functie van het elektrodeontwerp, maar worden sterk beïnvloed door de chemische samenstelling van de elektrolyt. Bij een optimale pH-en H2-O2-concentratie worden de elektrochemische reacties gefaciliteerd, wat leidt tot een efficiënte elektronenoverdracht en een verbeterd vermogen. De invloed van pH kan worden toegeschreven aan zijn rol bij het moduleren van de protonactiviteit en de redoxpotentiaal van het systeem. Een uitgebalanceerde pH zorgt ervoor dat de elektrochemische reacties aan zowel de anode als de kathode soepel en ongehinderd verlopen13,14. Aan de andere kant heeft de H2O2-concentratieeen directe invloed op de beschikbaarheid van reactanten. Een optimale concentratie zorgt ervoor dat er een constante aanvoer is vanH2O2-moleculen om deel te nemen aan de redoxreacties, waardoor een consistente stroom elektronen wordt gegenereerd. Elke afwijking van dit evenwicht, hetzij een onevenwichtige pH of een suboptimale H2O2-concentratie, kan echter de elektronenstroom verstoren, wat leidt tot verminderde prestaties. Het is aannemelijk dat bij extreme pH-waarden de structuur of activiteit van de katalysator kan worden aangetast of dat nevenreacties de overhand kunnen krijgen. Evenzo kunnen te lage of te hoge H2O2-concentratiesde reactie uithongeren of tot verzadiging leiden. In wezen is de synergie tussen pH en peroxideconcentratie cruciaal bij het bepalen van de efficiëntie van H 2O2 FC's. Toekomstig onderzoek kan dieper ingaan op het begrip van deze parameters, waardoor deze apparaten voor duurzame energie mogelijk nog betere prestaties kunnen leveren.
Kritische stappen
Het proces van het galvaniseren van goud (Au) op koolstofdoek is een hoeksteen in de fabricage van de driedimensionale elektroden. De kwaliteit, uniformiteit en dikte van de goudlaag zijn van het grootste belang, omdat ze rechtstreeks van invloed zijn op de elektrochemische eigenschappen van de elektrode. De chronoamperometrietechniek, die voor dit proces werd gekozen, biedt het voordeel dat het een consistente en gelijkmatige afzetting van goud op het doek garandeert. Bij het bepalen van het aantal galvaniseercycli moet echter een delicaat evenwicht worden gevonden. Te veel cycli leiden tot een overcoating van goud, wat de inherente poreuze aard van het koolstofvezeldoek in gevaar kan brengen, waardoor de efficiëntie ervan wordt aangetast. De bereiding van deH2O2-oplossing is een andere cruciale stap die precisie vereist. De pH-waarde en concentratie van de H2O2-oplossingzijn van groot belang bij het bepalen van de prestaties van de FC. Het onderzoek constateerde een directe correlatie tussen deze parameters en de output van de FC, wat het belang van een nauwgezette oplossingsbereiding benadrukte.
Wijzigingen en probleemoplossing
De introductie van een driedimensionale poreuze elektrode was een belangrijke wijziging om de interactie tussen de elektrode en de H2O2-brandstofte verbeteren. Het primaire doel achter deze ontwerpinnovatie was om de elektrochemische reactiesnelheid te versnellen, waardoor zowel het vermogen als de stroomuitgang werden verhoogd. Hoewel het ontwerp veelbelovend is, kan het galvaniseerproces verdere verfijningen vereisen om ervoor te zorgen dat de elektrode-eigenschappen overeenkomen met de gewenste resultaten. Het onderzoek onderstreepte de prestatiegevoeligheid van de FC voor de pH en concentratie van de H2O2-oplossing. Elke afwijking van de optimale parameters kan leiden tot een verminderd vermogen of zelfs tot instabiliteit in de werking van de FC. Als maatregel voor het oplossen van problemen kan het verfijnen van deze parameters prestatieproblemen verhelpen.
Beperkingen
Ondanks de vooruitgang heeft de huidige H 2O2 FC-technologie bepaalde beperkingen. In vergelijking met andere brandstofceltechnologieën hebben de H 2 O2FC's de neiging om een lager vermogen en een lager stroomverbruik te vertonen. Een belangrijke reden hiervoor is de beperkte katalytische selectiviteit van de elektroden. De prestaties van de H 2 O 2 FC zijn sterk afhankelijk van de pH en de H 2 O 2-concentratie vande oplossing. Deze gevoeligheid houdt in dat er een relatief smal werkingsvenster is waarbinnen de FC optimale resultaten kan leveren.
Betekenis ten opzichte van bestaande methoden
De membraanloze architectuur van de H 2 O 2 FC verschilt aanzienlijk van conventionele brandstofcellen 1,2,3,4. Deze ontwerpkeuze omzeilt effectief verschillende uitdagingen die traditionele FC's teisteren, zoals de hoge kosten die gepaard gaan met fabricage en de complexiteit die inherent is aan hun ontwerp. De introductie van een driedimensionale elektrode in dit onderzoek is een gamechanger. Door een verbeterde elektrochemische reactiekinetiek mogelijk te maken, houdt dit elektrodeontwerp de belofte in van het bereiken van hogere vermogensdichtheden voor H 2 O2FC's, waardoor ze zich onderscheiden van conventionele ontwerpen.
Toekomstige toepassingen van de techniek
Naast hun toepassing in brandstofcellen hebben de driedimensionale elektroden een breder potentieel. Ze kunnen worden geïntegreerd in draagbare energiesystemen of zelfs worden gebruikt als katalysatoren met een groot oppervlak. Een dergelijke veelzijdigheid kan de evolutie katalyseren van compacte en efficiënte energieapparaten die geschikt zijn voor diverse toepassingen. Het pionierswerk op het gebiedvan H 2 O2 FC's is cruciaal in de wereldwijde verschuiving van afhankelijkheid van fossiele brandstoffen naar de invoering van milieuvriendelijkere energiealternatieven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Auteurs hebben geen conflicten te verklaren.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door het National Key Technologies R&D-programma van China (2021YFA0715302 en 2021YFE0191800), de National Natural Science Foundation of China (61975035 en 52150610489) en de Science and Technology Commission van de gemeente Shanghai (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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Lan, R., Tao, S. Ammonia as a suitable fuel for fuel cells. Frontiers in Energy Research. 2, 2014 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ha, S. M., Ahn, Y. Laminar flow-based micro fuel cell utilizing grooved electrode surface. Journal of Power Sources. 267, 731-738 (2014).
- 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).
- 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).
- Wu, K. H., et al. Highly selective hydrogen peroxide electrosynthesis on carbon: in situ interface engineering with surfactants. Chem. 6 (6), 1443-1458 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Eaves, S., Eaves, J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles. Journal of Power Sources. 130 (1-2), 208-212 (2004).
- 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).
- 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).
