Summary
Ce protocole introduit la conception et l’évaluation d’électrodes tridimensionnelles innovantes pour les piles à combustible au peroxyde d’hydrogène, en utilisant un tissu en fibre de carbone électrolytique au or et des électrodes en mousse de ni. Les résultats de la recherche mettent en évidence le potentiel du peroxyde d’hydrogène en tant que candidat prometteur pour les technologies énergétiques durables.
Abstract
Dans une étude approfondie des piles à combustible à base de peroxyde d’hydrogène sans membrane (H 2 O 2 FC), il a été démontré que le peroxyde d’hydrogène (H 2 O 2), un composé neutre en carbone, subit une décomposition électrochimique pour produire de l’H 2 O, O 2et de l’énergie électrique. Les propriétés d’oxydoréduction uniques de H 2 O2le positionnent comme un candidat viable pour les applications énergétiques durables. La conception sans membrane proposée tient compte des limites des piles à combustible conventionnelles, notamment des complexités de fabrication et des défis de conception. Une nouvelle électrode tridimensionnelle, synthétisée par des techniques de galvanoplastie, est introduite. Construite à partir d’un tissu en fibre de carbone électrolytique au combiné à de la mousse Ni, cette électrode présente une cinétique de réaction électrochimique améliorée, ce qui entraîne une densité de puissance accrue pour les FC H 2 O2. Les performances des piles à combustible sont intimement liées aux niveaux de pH de la solution électrolytique. Au-delà des applications FC, ces électrodes détiennent un potentiel dans les systèmes d’énergie portables et en tant que catalyseurs à grande surface. Cette étude souligne l’importance de l’ingénierie des électrodes dans l’optimisation du potentiel de H 2 O2en tant que source d’énergie respectueuse de l’environnement.
Introduction
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui utilise du carburant et de l’oxydant pour convertir les produits chimiques en énergie électrique. Les FC ont une efficacité de conversion d’énergie plus élevée que les moteurs à combustion traditionnels car ils ne sont pas liés par le cycle de Carnot1. En utilisant des carburants tels que l’hydrogène (H 2)2, le borohydrure-hydrogène (NaBH 4)3 et l’ammoniac (NH 3)4, les FC sont devenus une source d’énergie prometteuse qui est propre sur le plan environnemental et peut atteindre des performances élevées, offrant un potentiel important pour réduire la dépendance humaine aux combustibles fossiles. Cependant, la technologie FC est confrontée à des défis spécifiques. L’un des problèmes les plus courants est le rôle interne d’une membrane échangeuse de protons (PEM) dans le système FC, qui agit comme une protection contre les courts-circuits internes. L’intégration d’une membrane électrolytique contribue à l’augmentation des coûts de fabrication, de la résistance du circuit interne et de la complexité architecturale5. De plus, la transformation de FC à compartiment unique en réseaux multi-piles introduit des complications supplémentaires en raison du processus complexe d’intégration des canaux d’écoulement, des électrodes et des plaques pour améliorer les sorties de puissance et de courant5.
Au cours des dernières décennies, des efforts concertés ont été déployés pour relever ces défis liés aux membranes et rationaliser le système FC. Notamment, l’émergence de configurations FC sans membrane utilisant des co-flux laminaires à faible nombre de Reynold a offert une solution innovante. Dans de telles configurations, l’interface entre deux écoulements fonctionne comme une membrane conductrice de protons« virtuelle » 6. Les FC à écoulement laminaire (LFFC) ont été largement étudiés, tirant parti des avantages de la microfluidique 7,8,9,10. Cependant, les LFFC nécessitent des conditions strictes, notamment un apport d’énergie élevé pour le pompage de carburants/oxydants laminaires, l’atténuation du croisement des réactifs dans les flux fluidiques et l’optimisation des paramètres hydrodynamiques.
Récemment, H 2 O 2 a suscité de l’intérêt en tant que combustible et oxydant potentiel en raison de sa nature neutre en carbone, produisant de l’eau (H 2 O) et de l’oxygène (O2) pendant les processus d’électrooxydation et d’électroréduction aux électrodes11,12. H2 O2 peut être produit en masse à l’aide d’un procédé de réduction à deux électrons ou d’un procédé d’oxydation à deux électrons à partir de l’eau12. Par la suite, contrairement à d’autres combustibles gazeux, le carburant liquideH2O2 peut être intégré dans l’infrastructure d’essence existante 5. De plus, la réaction de disproportion H2O 2 permet de servir H 2 O2à la fois comme combustible et comme oxydant. La figure 1A montre une structure schématique de l’architecture d’un FC H 2 O2facile. Par rapport aux FC traditionnels 2,3,4, le H 2 O 2FC utilise les avantages de la « simplicité » de l’appareil. Yamasaki et al. ont démontré que les FCH 2 O2 sans membrane jouent à la fois le rôle de carburant et d’oxydant. Le mécanisme décrit de la production d’énergie électrique a incité les communautés de recherche à poursuivre dans cette direction de recherche6. Par la suite, les mécanismes d’électrooxydation et d’électroréduction utilisant H 2 O2comme combustible et oxydant ont été représentés par les réactions suivantes13,14
En milieu acide :
Anode : H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2E- ; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Cathode : H 2 O 2 + 2H+ + 2e- → 2H2 O ; Ea2 = 1,77 V vs. ELLE
Total : 2 H 2 O 2 → 2H 2 O +O 2
Dans les médias de base :
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Anode : HO 2- + OH- → O 2 + H2O + 2e- ; Eb1 = 0,15 V vs. ELLE
Cathode : HO 2- + H2O + 2e- → 3OH- ; Eb2 = 0,87 V vs. ELLE
Total : 2 H 2 O 2 → 2H 2 O +O 2
La figure 1B illustre le principe de fonctionnement des FC H 2 O2. H 2 O2donne des électrons à l’anode et accepte des électrons à la cathode. Le transfert d’électrons entre l’anode et la cathode se fait par l’intermédiaire d’un circuit externe, ce qui entraîne la production d’électricité. Le potentiel théorique en circuit ouvert (OCP) deH 2 O2 FC est de 1,09 V dans les milieux acides et de 0,62 V dans les milieux basiques13. Cependant, de nombreux résultats expérimentaux ont montré des valeurs inférieures, atteignant jusqu’à 0,75 V dans les milieux acides et 0,35 V dans les milieux basiques, par rapport à l’OCP théorique. Cette observation peut être attribuée à la présence d’un potentiel mixte13. De plus, la puissance et le courant de sortie des FC H 2 O 2 ne peuvent pas rivaliser avec les FC mentionnés 2,3,4 en raison de la sélectivité catalytique limitée des électrodes. Néanmoins, il convient de noter que la technologie actuelle des FC H 2 O 2 peut surpasser les FC H2, NaBH4 et NH3 en termes de coût global, comme le montre le tableau 1. Ainsi, l’amélioration de la sélectivité catalytique desélectrodes pour l’électrooxydation et l’électroréduction de H 2 O2 reste un défi important pour ces dispositifs.
Dans cette étude, nous introduisons une électrode à structure poreuse tridimensionnelle pour améliorer l’interaction entre l’électrode et le combustible H 2 O2, dans le but d’augmenter la vitesse de réaction et d’améliorer la puissance et le courant de sortie. Nous étudions également l’impact du pH de la solution et de la concentration en H 2 O2sur les performances du FC. La paire d’électrodes utilisée dans cette étude comprend un tissu en fibre de carbone galvanisé à l’or et une mousse de nickel. La caractérisation structurale est effectuée à l’aide de la diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à balayage (MEB), les courbes de potentiel en circuit ouvert (OCP), de polarisation et de puissance de sortie servant de paramètres principaux pour les tests FC.
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Protocol
1. Prétraitement des matériaux
REMARQUE : De la mousse Ni (disponible dans le commerce, voir le tableau des matériaux) de 25 mm x 25 mm x 1,5 mm est utilisée pour l’anode du H 2 O2 FC.
- Immergez l’échantillon de mousse de nickel dans de l’alcool et de l’eau déminéralisée (DI), sonnez trois fois, 5 min dans un solvant et de l’eau. Ensuite, placez la mousse de nickel sur un substrat en verre propre.
- Utilisez le tissu en fibre de carbone (voir le tableau des matériaux) comme substrat de cathode. Coupez le tissu de carbone en morceaux carrés de 25 mm x 25 mm à l’aide de ciseaux.
- Plongez l’échantillon de tissu de carbone dans de l’acétone, de l’alcool à 75 %, de l’eau déminéralisée et du sonicate trois fois pendant 5 minutes, respectivement. Ensuite, rincez le chiffon de charbon avec de l’eau dénivelée pour éliminer les résidus d’alcool. Placez le chiffon de carbone sur un substrat en verre.
REMARQUE : Sur la base des résultats de recherche discutés15,16, l’Au comme cathode et le Ni comme anode ont été choisis comme catalyseurs pour les FC H 2 O 2. Les métaux comme le Pt, le Pd, le Ni, l’Au et l’Ag ont une sélectivité catalytique spécifique pour la réaction d’oxydation ou de réduction de H 2 O2, ce qui en fait des matériaux d’électrode appropriés. L’électrode en fibre Au@carbon offre une combinaison d’activité électrocatalytique, de stabilité et de conductivité améliorée, ce qui en fait un choix approprié pour les piles à combustible au peroxyde d’hydrogène sans membrane.
2. Galvanoplastie de l’or sur un tissu de carbone
- Préparer les réactifs pour la galvanoplastie selon les éléments suivants : acide chloroaurique (HAuCl4), chlorure de potassium (KCl), acide chlorhydrique (HCl) et eau déminéralisée (voir le tableau des matériaux).
- Préparer des solutions de 80 mL (en fonction du volume du bécher) dans un bécher propre avec 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl et 0,01 M HCl. Scellez l’ouverture et remuez la solution pendant 15 min.
- Préparez le matériau de galvanoplastie, le tissu de carbone et la solution de placage. Le processus de galvanoplastie est géré par une station électrochimique (ES) (voir tableau des matériaux).
REMARQUE : La méthode à trois électrodes est sélectionnée ici pour le placage : tissu de carbone comme électrode de travail (WE), tige de graphite comme contre-électrode (CE) et Ag/AgCl (solution saturée de 1 M KCl) comme électrode de référence (RE). - Assurez-vous que chaque électrode serre le bon objet. Plongez les électrodes dans la solution de placage.
- Démarrez l’ES. Réglez le programme sur la méthode de chronoampérométrie, comme illustré à la figure 1C. S’assurer qu’un seul cercle de dépôt est le suivant : potentiel de travail 0,1 V pendant 0,1 s et potentiel de repos 0,2 V pendant 0,2 s. En conséquence, l’ion AuCl4- diffuse uniformément autour du WE.
- Définissez les cercles de galvanoplastie sur 800, 1600, 2400 et 3200 cercles. Exécutez le programme.
REMARQUE : En règle générale, le programme de méthode de chronoampérométrie dans ES ne peut pas atteindre 1600 cycles. Alternativement, le programme Multi-Potential Steps d’ES peut également être utilisé pour la méthode de galvanoplastie, les mêmes sélections que la méthode de chronoampérométrie (voir les instructions du fabricant).
- Définissez les cercles de galvanoplastie sur 800, 1600, 2400 et 3200 cercles. Exécutez le programme.
- Après la galvanoplastie, fermez l’ES, emballez les réactifs et récupérez le tissu en fibre de carbone électrolytique Au (Au@CF).
- Plongez le Au@CF dans l’eau DI trois fois pour éliminer les résidus de solution. Placez-le sur un substrat en verre pour le faire sécher à l’air.
- Coupez la partie non plaquée de la Au@CF causée par les pinces pour éviter qu’une partie de CF n’entre en contact avec les solutions.
- Mesurez la taille de Au@CF (a : longueur, b : largeur) à l’aide d’une règle pour calculer les densités de courant/puissance.
3. Caractérisation des performances d’un FC
- Préparez des solutions avec deux concentrations, une solution pour le gradient de pH (1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), tandis que l’autre pour le gradient H 2 O 2(C HP) (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol, 2 mol).
- Caractériser les performances FC par ES avec deux électrodes pour l’OCP et trois électrodes pour les courbes de polarisation et de puissance de sortie (étapes 3.3-3.6).
- Lavez à nouveau la mousse de Ni et Au@CF à nouveau avec de l’eau DI deux fois. Mettez-les de côté pour les mettre en veille.
- Obtenir des données OCP lors du test d’un FC : L’OCP est un paramètre essentiel dans la performance du FC.
- Utilisez la mousse de Ni à la fois comme RE et CE, et Au@CF comme WE. Ajouter la solution dans le bécher d’essai. Connectez les électrodes à l’ES. Allumez l’ES.
- Réglez le programme sur Potentiel de circuit ouvert - Méthode temporelle ; Durée d’exécution : 400 s, Intervalle d’échantillonnage : 0,1 s, Limite haute émissivité : 1 V, Limite basse émissivité : -1 V. Exécutez le programme.
REMARQUE : Il faut souvent du temps pour que la sortie FC se stabilise. Exécutez les mesures jusqu’à l’obtention de résultats FC stables. - Mesurez les données. Fermez le programme. Lavez le bécher et les électrodes. Ajoutez d’autres solutions pour des tests spécifiques.
- Testez les performances de sortie de FC en fonction des données OCP. Ici, seules les données originales de la courbe de voltampérométrie à balayage linéaire (LSV) sont requises. D’autres données de sortie peuvent être calculées à partir de la courbe LSV.
- Lavez à nouveau la mousse de nickel et Au@CF avec de l’eau dénivelée (répétez deux fois). Utilisez de la mousse de Ni comme RE et CE, Au@CF comme WE. Ajouter la solution dans le bécher d’essai.
- Réglez le programme sur LSV, OCP comme E initial, 0 V comme E final, vitesse de balayage sur 0,01 V/s, correspondant aux conditions de circuit ouvert (OCP) et de court-circuit (0 V). Exécutez le programme.
- Collectez les données, fermez le programme, lavez le bécher et les électrodes, et ajoutez d’autres solutions nécessaires pour des tests spécifiques.
- Lavez les électrodes après les expériences et rangez-les sur un verre.
REMARQUE : Les données de l’expérience peuvent être stockées au format EXCEL.
4. Caractérisation structurale des électrodes
REMARQUE : La DRX est une méthode simple et fiable pour analyser les échantillons. La DRX est prise pour détecter des éléments des électrodes, tels que l’or électrolytique sur le tissu de carbone. Les tests XRD sont effectués avant et après la caractérisation FC pour analyser la corrosion potentielle et la dégradation des électrodes. Par exemple, les particules d’or peuvent se détacher de CF et la corrosion du nickel peut se produire dans les solutions acides5.
- Lavez les électrodes avec de l’eau dépérissée (deux fois) et séchez-les à l’air libre à température ambiante.
- Grattez les métaux sur les électrodes avec une pince à épiler. Récupérez la poudre métallique et placez-la dans un récipient.
- Effectuer des tests XRD17sur les échantillons de poudre métallique.
- Prenez le MEB pour caractériser la morphologie des électrodes et étudier l’infiltration et la galvanoplastie entre le tissu en fibre d’or et de carbone. De plus, caractériser la corrosion du nickel par MEB.
5. Traitement des données et calcul de la puissance de sortie
- Toutes les données peuvent être analysées dans EXCEL. Utilisez Excel ou Origin pour analyser les données et tracer des graphiques expérimentaux.
- Utilisez les données OCP pour caractériser la sélectivité des électrodes, par exemple à l’aide d’un tableau ou d’une figure linéaire. Utilisez le potentiel moyen pour les légendes de table. En règle générale, une figure linéaire est utilisée pour démontrer la stabilité de la FC.
- Utilisez les données LSV pour caractériser les performances de sortie de FC. Il y a deux colonnes de données dans le fichier EXCEL. En règle générale, un ensemble de données indique le potentiel (U) et l’autre est le courant enregistré (I). Calculez la puissance de sortie à l’aide de l’équation suivante : P = U × I
REMARQUE : Une valeur de courant élevée (I) indique une performance satisfaisante du FC. Par exemple, une grande surface d’électrode entraîne des courants plus élevés. Un paramètre normalisé faisant référence à la performance des FC est la densité de courant (I D), qui est égale au courant divisé par la surface (A) des électrodes : ID = I/A - Par la suite, calculez la densité de puissance () comme suit : P D = U × ID
REMARQUE :Il est essentiel de prendre la valeur absolue, car les valeurs des données préliminaires peuvent être négatives en raison de la direction du courant, ce qui n’est pas souhaitable pendant les mesures. - Il est facile de comparer des paramètres à l’aide de U, I, D et PD au sein d’une seule figure. Affectez ID à l’axe des abscisses, U à l’axe des ordonnées de gauche et à l’axe des ordonnées de droite.
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Representative Results
Résultats de galvanoplastie
La figure 2 montre les résultats de la galvanoplastie. La figure 2A indique le résultat de la diffraction des rayons X. Les figures 2B et C sont les micrographies. Les figures 2D et E sont les résultats du MEB. Le dépôt effectif d’or (Au) sur le tissu en fibre de carbone (CF) a d’abord été confirmé en utilisant le changement physique de couleur dans le tissu en fibre de carbone du noir au jaune d’or, comme le montre la figure 2B, C. Une vérification supplémentaire est réalisée par l’analyse par diffraction des rayons X, qui a montré des pics clairs à 38,2°, 44,4°, 64,6° et 77,6° correspondant aux plans cristallins (111), (200), (220) et (311) de l’Au cubique à faces centrées (FCC) (carte PDF n° 04-0784), confirmant ainsi la galvanoplastie réussie de l’or sur le substrat CF.
La teneur en or de l’électrode en fibre Au@carbon peut être estimée comme suit : à partir de 1 g de HAuCl4 ; Il peut être utilisé pour environ 15 séances de galvanoplastie. La teneur en or (mAu) de 1 g de HAuCl4 est calculée à l’aide de la formule suivante :
Concordance avec l’estimation mAu = 0,58 g. Lorsqu’elle est répartie entre les 15 séances, chaque solution de galvanoplastie contient le poids suivant d’ions Au3+ :
Cependant, il est essentiel de noter que tous les ions Au3+ de la solution ne sont pas déposés sur le tissu en fibre de carbone pendant le processus de galvanoplastie. Par conséquent, chaque tissu en fibre de carbone contient moins de 0,039 g d’Au.
Les images MEB de la figure 2D-I ont indiqué une dispersion uniforme des nanoparticules d’or à travers le tissu en fibre de carbone. Fait remarquable, la structure poreuse tridimensionnelle d’origine du CF est restée bien préservée après la galvanoplastie. Cette préservation est cruciale, car elle offre une grande surface d’interaction avec le combustibleH2O2 , améliorant ainsi la vitesse de réaction et la puissance de sortie.
La figure 3 illustre Au@CFs soumis à un nombre variable de cycles de galvanoplastie. La figure 3A met en évidence la progression des couleurs du tissu en fibre de carbone électrolytique Au. La transition de couleur du noir d’origine du CF à l’or de l’Au, qui s’est intensifiée du clair au foncé, suggère une augmentation du volume d’Au déposé sur le CF à mesure que le nombre de cycles de galvanoplastie augmentait. Cette conclusion est étayée par les images MEB, figure 3B-E, qui révèlent l’évolution de la distribution de l’or à travers le tissu en fibre de carbone.
H2 O2 Résultats de performance FC
L’OCP des FC a été mesurée pour différents pH de solution etconcentrations de H 2 O 2, ce qui permet d’interpréter les propriétés électrochimiques des FC H 2 O 2. La dépendance explicite de l’OCP à l’égard du pH et de la concentration en H 2 O2a été observée. L’OCP le plus élevé a été obtenu à un pH de 1 et à une concentration deH22O2 de 0,25 mol. Les résultats de l’OCP liés au pH sont en accord avec des études antérieures indiquant que la disproportion deH2, O2 et la performance de la FC dépendent fortement du pH18. Un pH bas aide à stabiliser les solutions de H 2 O 2, car H 2 O2 peut être considéré comme un acide faible. La décomposition chimique importante de H2 O2 dans des solutions basiques avec un pH supérieur à 11 peut être clairement observée. En outre, selon l’équation18 de Nernst, l’OCP augmente généralement à mesure que la concentration d’électrolytes augmente. Cependant, contrairement à d’autres FC, l’OCP des FC H 2 O 2 diminue à mesure que la concentration en H 2 O2augmente, en particulier en utilisant des électrodes Au19. On suppose que cette observation est due au potentiel mixte ou à la sélectivité limitée des électrodes. Une concentration plus élevée entraîne un taux de décomposition chimique plus élevé, diminuant ainsi l’OCP. Néanmoins, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour étudier cette observation plus en détail.
Les courbes de polarisation et de puissance de sortie ont été obtenues à l’aide de solutions spécifiques et de conditions de cercle de galvanoplastie. La puissance maximale a été obtenue dans les conditions optimales en utilisant des conditions spécifiques de cercle de galvanoplastie (pH 1, concentration H 2 O21 mol, cercle de galvanoplastie 3200). En utilisant des conditions de solution optimales, la puissance de sortie maximale a été obtenue dans les conditions optimales (pH 1, H 2 O 2 concentration2mol). Cette valeur de puissance de sortie maximale est nettement supérieure à celle obtenue dans des conditions non optimales, ce qui souligne encore l’importance de l’optimisation des cercles de galvanoplastie et des conditions de solution pour obtenir des FC H 2 O2haute performance.
Les H2 O2 FC présentent une stabilité satisfaisante dans des conditions optimales pendant des mesures continues de 400 s.
L’analyse XRD17 des électrodes en mousse de nickel et en Au@CF (avant et après les tests de performance FC) a montré des changements négligeables, indiquant une résistance satisfaisante à la corrosion des électrodes dans des conditions de fonctionnement optimales. En suivant le protocole décrit, les résultats observés sont illustrés et montrent les performances améliorées du H 2 O2FC avec l’électrode poreuse tridimensionnelle.
Résultat positif :
Comme le montre la figure 4A, une augmentation des densités de puissance et de courant a été observée avec un nombre plus élevé de cycles de galvanoplastie. Cette observation est attribuée au fait qu’une plus grande quantité d’or est plaquée sur le CF avec des cycles de galvanoplastie plus importants, ce qui fournit un matériau plus actif pour faciliter les réactions électrochimiques. Cependant, l’amélioration des performances FC n’augmente pas proportionnellement avec le nombre de cycles de galvanoplastie. Une amélioration modeste d’environ 20% des densités de courant et de puissance a été enregistrée lorsque les cycles de galvanoplastie ont doublé, passant de 800 à 1600. Il a suggéré qu’une galvanoplastie excessive peut conduire à la formation d’une couche qui encapsule le nano Au, diminuant ainsi l’efficacité du transport de masse. Cette découverte peut fournir des informations précieuses sur la méthode de galvanoplastie de fabrication de catalyseurs.
La figure 4B illustre la durabilité du potentiel en circuit ouvert (OCP) du H 2 O2FC à différentes concentrations dans des solutions avec un pH de 1. Les données indiquent que l’électrode peut fonctionner en continu pendant au moins 400 s sans dégradation significative, ce qui démontre la robustesse des électrodes fabriquées par galvanoplastie.
Il est intéressant de noter que l’OCPdu H 2 O2 FC a dépassé la valeur théorique dans les milieux acides et basiques, ce qui suggère que l’électrode conçue catalyse efficacement les réactions au sein du FC. On a constaté que la puissance et le courant de sortie du FC augmentaient avec la concentration de H 2 O2, atteignant un pic à un pH spécifique. Cette observation confirme l’efficacité de l’électrode et met en évidence l’influence du pH de la solution et de la concentration en H 2 O2sur les performances de la FC.
La figure 4C présente les courbes de polarisation et de densité de puissance du FC dans des conditions optimales. Une densité de puissance de crête d’environ 0,8 W m-2 a été obtenue à une concentration de H 2 O2de 2 M et à un pH de 1, démontrant l’efficacité de l’électrode poreuse tridimensionnelle à faciliter les réactions du FC et à augmenter la puissance de sortie.
Résultat négatif :
D’autre part, des résultats sous-optimaux ont été observés à des concentrations excessivement élevées de H 2 O2. Comme le montre la figure 4C, une augmentation de la concentration de H 2 O 2 au-delà d’un point optimal n’entraîne pas une augmentation proportionnelle correspondante de la performance, ce qui souligne l’existence d’une concentration idéale de H 2 O 2 pour le fonctionnement en FC afin d’équilibrer la consommation de carburant et la performance. Par exemple, la densité de puissance maximale a augmenté d’environ 44 %, passant de 0,56 W m-2 à 0,81 W m-2, lorsque la concentration de H 2 O 2 a été multipliée par huit, passant de 0,25 M à 2M.
De plus, la performance FC s’est avérée sensible au pH de la solution. Dans des conditions extrêmement acides et basiques (pH inférieurs à 3 et supérieurs à 11), la puissance de sortie du FC était relativement élevée, comme le montre la figure 4D.
Ces résultats permettent d’élucider l’influence de divers paramètres sur les performances des FC H 2 O2. Grâce à l’optimisation de la composition chimique et au développement d’électrocatalyseurs plus sélectifs, ce dispositif énergétique prometteur et respectueux de l’environnement peut trouver des applications pratiques. Le tableau 1 montre les coûts concurrentiels du carburant et de l’énergie produite sur les systèmes FC20,21,22.
Figure 1 : Représentation schématique de cette étude. (A) Intégration schématique d’un seul FC sans membrane. (B) Un principe de fonctionnement du H2 O2 FC. (C) Le processus de la méthode de galvanoplastie avec prétraitement sur tissu en fibre de carbone, solution de galvanoplastie de 5 mM HAuCl4, 1 M HCl et programme de galvanoplastie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Caractérisation structurale de 1600 cercles électrolytiques Au@CF. (A) Résultat XRD de Au@CF. (B) Micrographie de la mucoviscidose avant galvanoplastie. (C) Micrographie de la FC après dépôt d’Au. (D, E) ; (F,G) ; et (H,I) sont les résultats MEB pour la CF avant la galvanoplastie, après la galvanoplastie et après les tests de performance, respectivement. Barres d’échelle : (D), 20 μm ; (E,G), 1 μm ; (F,H,I), 10 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Résultats de la micrographie et du MEB de Au@CF sous différents cercles de galvanoplastie. (A) De gauche à droite se trouvent 0, 800, 1600, 2400 et 3200 cercles de galvanoplastie Au@CF, respectivement. (B-E) sont des images MEB de Au@CF sous 800, 1600, 2400 et 3200 cercles de galvanoplastie, respectivement. Barres d’échelle : (B,D), 10 μm ; (C), 2 μm ; (E), 3 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Caractérisation des performances du FC. (A) Courbes de polarisation (à gauche) et de puissance de sortie (à droite) à l’aide de différents cercles de galvanoplastie (cercles 800, 1600, 2400, 3200) dans des solutions pH = 1, CHP = 1 M. (B) Essai OCP sous différentes concentrations de H 2 O 2 (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) dans des solutions pH = 1 et avec 1600 cercles électrolytiques Au@CF pendant 400 s. (C) Courbe de polarisation (à gauche) et de puissance de sortie (à droite) sous différentes concentrations de H 2 O 2(0,25M, 0,5 M, 1 M, 2M) dans des solutions pH = 1 et avec 1600 cercles électrolytiques Au@CF. (D) Courbes OCP et densité de courant maximale dans différentes conditions de pH allant de pH = 1 à 13 dans des solutions de 1 M H2 O2 et avec des cercles électrolytiques de 1600 Au@CF. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Carburants | Énergie libre (kJ/mol) | Coût du carburant | Coût de l’énergie ($/kW) | Référence |
| Hydrogène | -237 | 6,9 $/kg | 200 | 20 |
| NaBH4 | -1273 | 55 $/kg | 10.2 | 21 |
| H2 O2 | -120 | 1,8 $/tonne (en vrac) | 1.84 | 22 |
Tableau 1 : Coûts concurrentiels des carburants et coût de l’énergie produite sur les systèmes FC.
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Discussion
Plusieurs paramètres influencent significativement les performances d’une pile à combustible sans membrane au peroxyde d’hydrogène au-delà du pH de la solution et de la concentration en H 2 O2. Le choix du matériau de l’électrode dicte l’activité électrocatalytique et la stabilité, tandis que la surface de l’électrode peut améliorer les sites de réaction. La température de fonctionnement affecte la cinétique de réaction, et le débit des réactifs peut déterminer l’efficacité de mélange du carburant et de l’oxydant. La concentration de tout catalyseur utilisé est essentielle pour les vitesses de réaction, et les impuretés peuvent inhiber ou empoisonner le catalyseur. La conception de la pile à combustible, y compris l’espacement des électrodes et la géométrie des canaux d’écoulement, a un impact sur le transport de masse et la cinétique. Le type et la concentration de l’électrolyte influencent la conductivité ionique, et la résistance et la conception du circuit externe peuvent modifier les paramètres opérationnels tels que le courant et la densité de puissance. De plus, la concentration d’oxygène, un sous-produit de la décomposition deH2O2 en présence de catalyseurs spécifiques, peut également jouer un rôle dans les performances de la cellule. L’optimisation de ces paramètres est essentielle pour l’efficacité et la durabilité des piles à combustible au peroxyde d’hydrogène sans membrane 7,8,9,10.
L’étude s’est concentrée sur la fabrication d’une électrode poreuse tridimensionnelle adaptée aux piles à combustible au peroxyde d’hydrogène (H2 O2 FC) et sur l’amélioration des performances de la pile à combustible par la régulation des paramètres de la solution11,12. La galvanoplastie réussie de l’or sur la mucoviscidose a été confirmée à l’aide d’une analyse XRD et d’une imagerie MEB. L’électrode de Au@CF poreuse tridimensionnelle résultante a montrédes performances robustes dans des FC H 2 O 2 dans des conditions de solution optimales (pH 1, concentration H 2 O 2 2M), et un rapport de performance optimal a été atteint à 1600 cycles de galvanoplastie, comme indiqué par l’OCP, la puissance de sortie et la stabilité supérieure.
Ces résultats ont des implications cruciales pour la conception et le développement d’électrodes efficaces pour les FC H 2 O2. La structure poreuse tridimensionnelle est prête à maximiser la surface de contact avec lecombustible H 2 O 2, ce qui pourrait améliorer la vitesse de réaction électrochimique et augmenter la puissance de sortie des FC. De plus, la remarquable résistance à la corrosion de l’électrode Au@CF suggère que les matériaux choisis ont le potentiel d’un fonctionnement stable et à long terme des FC H 2 O 2.
Certains éléments critiques nécessitent une attention méticuleuse pour améliorer encore les performances des FC H 2 O2avec une électrode à structure poreuse tridimensionnelle. Le plus important d’entre eux est la fabrication de l’électrode poreuse. Un traitement de surface approprié et la régulation de la distribution de la taille des pores sont de la plus haute importance, car ces facteurs ont un impact direct sur l’efficacité électrocatalytique de l’électrode. De plus, la gestion de la concentration enH2O2 et du pH de la solution est essentielle. La performance de la FC peut être diminuée en raison d’une concentration excessive ou insuffisante deH2O2, comme observé dans les expériences, et une tendance similaire a été observée lorsque le pH de la solution s’écarte de la plage optimale.
Afin d’améliorer les performances duH 2 O2 FC dans des conditions optimales, certaines modifications peuvent être justifiées. Par exemple, le processus de traitement de surface des électrodes peut être optimisé pour obtenir une gamme plus diversifiée de tailles de pores, ce qui peut améliorer la cinétique de réaction. Lorsque la puissance de sortie attendue n’est pas atteinte, des étapes de recherche spécifiques peuvent être nécessaires, ce qui peut impliquer un réglage fin de la concentration de H 2 O2, l’ajustement du pH et la prise en compte d’autres paramètres, notamment la température et la pression, qui peuvent avoir un impact sur les performances des FC.
Bien que le développement réussi de la nouvelle électrode et les résultats prometteurs des tests de FC ouvrent la voie à des applications potentielles de H 2 O 2 dans la technologie de l’énergie propre, d’autres recherches sont justifiées pour affiner la conception, la sélectivité et la surface de l’électrode en vue d’applications pratiques de H 2 O2 FC.
Le comportement observé dans les FC H2 O2 sans membrane souligne l’interaction complexe entre la dynamique du pH et la concentration de peroxyde d’hydrogène. Les performances des FCH 2 O2 ne sont pas simplement fonction de la conception de l’électrode, mais sont profondément influencées par la composition chimique de l’électrolyte. À un pH optimal et à une concentration de H 2 O2, les réactions électrochimiques sont facilitées, ce qui permet un transfert d’électrons efficace et une puissance de sortie améliorée. L’influence du pH peut être attribuée à son rôle dans la modulation de l’activité des protons et du potentiel redox du système. Un pH équilibré garantit que les réactions électrochimiques à la fois à l’anode et à la cathode se déroulent sans heurts sans aucune entrave13,14. D’autre part, la concentration en H 2 O2a un impact direct sur la disponibilité des réactifs. Une concentration optimale garantit un approvisionnement constant en molécules H2 O2 pour participer aux réactions d’oxydoréduction, générant ainsi un flux constant d’électrons. Cependant, tout écart par rapport à cet équilibre, qu’il s’agisse d’un pH déséquilibré ou d’une concentration sous-optimale de H 2 O2, peut perturber le flux d’électrons, entraînant une diminution des performances. Il est plausible qu’à des niveaux de pH extrêmes, la structure ou l’activité du catalyseur puisse être compromise, ou que des réactions secondaires puissent devenir prédominantes. De même, des concentrations trop faibles ou trop élevées de H 2 O2peuvent soit affamer la réaction, soit conduire à sa saturation, respectivement. Essentiellement, la synergie entre le pH et la concentration de peroxyde est essentielle pour déterminer l’efficacité des FC H 2 O2. Des recherches futures pourraient clarifier la compréhension de ces paramètres, ce qui pourrait permettre d’obtenir des performances encore plus élevées de ces dispositifs à énergie durable.
Étapes critiques
Le processus de galvanoplastie de l’or (Au) sur un tissu de carbone est une pierre angulaire de la fabrication des électrodes tridimensionnelles. La qualité, l’uniformité et l’épaisseur de la couche d’or sont primordiales car elles ont un impact direct sur les attributs électrochimiques de l’électrode. La technique de chronoampérométrie, qui a été choisie pour ce procédé, offre l’avantage d’assurer un dépôt constant et uniforme de l’or sur le tissu. Cependant, un équilibre délicat doit être trouvé dans la détermination du nombre de cycles de galvanoplastie. Trop de cycles conduisent à une surcouche d’or, ce qui pourrait compromettre la nature poreuse inhérente du tissu en fibre de carbone, affectant ainsi son efficacité. La préparation de la solutionH 2 O2 est une autre étape critique qui exige de la précision. Le niveau de pH et la concentration de la solution de H 2 O2sont déterminants pour déterminer la performance du FC. La recherche a observé une corrélation directe entre ces paramètres et le résultat du FC, soulignant l’importance d’une préparation méticuleuse de la solution.
Modifications et dépannage
L’introduction d’une électrode poreuse tridimensionnelle a été une modification importante visant à améliorer l’interaction entre l’électrode et le combustibleH2O2. L’objectif principal de cette innovation de conception était d’accélérer la vitesse de réaction électrochimique, augmentant ainsi à la fois la puissance et le courant de sortie. Cependant, bien que la conception soit prometteuse, le processus de galvanoplastie peut nécessiter d’autres améliorations pour s’assurer que les propriétés de l’électrode s’alignent sur les résultats souhaités. La recherche a mis en évidence la sensibilité de performance du FC au pH et à la concentration de la solution H 2 O2. Tout écart par rapport aux paramètres optimaux peut entraîner une diminution de la puissance de sortie, voire une instabilité du fonctionnement du FC. À titre de mesure de dépannage, l’affinement de ces paramètres peut résoudre les problèmes de performances.
Limitations
Malgré les avancées, la technologie actuelleH 2 O2 FC présente certaines limites. Lorsqu’elles sont juxtaposées à d’autres technologies de piles à combustible, les H 2 O2FC ont tendance à présenter des puissances et des courants de sortie plus faibles. L’une des principales raisons en est la sélectivité catalytique limitée des électrodes. La performance du H 2 O 2 FC dépend fortement du pH et de la concentration en H 2 O2 de la solution. Cette sensibilité implique qu’il existe une fenêtre de fonctionnement relativement étroite dans laquelle le FC peut fournir des résultats optimaux.
Importance par rapport aux méthodes existantes
L’architecture sans membrane du H 2 O 2 FC diffère considérablement de celle des piles à combustible conventionnelles 1,2,3,4. Ce choix de conception permet de contourner efficacement plusieurs défis qui affligent les FC traditionnels, tels que les coûts élevés associés à la fabrication et les complexités inhérentes à leur conception. L’introduction d’une électrode tridimensionnelle dans cette recherche change la donne. En facilitant l’amélioration de la cinétique de réaction électrochimique, cette conception d’électrode promet d’atteindredes densités de puissance plus élevées pour les FC H 2 O2, ce qui les distingue des conceptions conventionnelles.
Applications futures de la technique
Au-delà de leur application dans les piles à combustible, les électrodes tridimensionnelles ont un potentiel plus large. Ils peuvent être intégrés dans des systèmes énergétiques portables ou même utilisés comme catalyseurs à grande surface. Une telle polyvalence peut catalyser l’évolution de dispositifs énergétiques compacts et efficaces adaptés à diverses applications. Les travaux pionniers sur les H 2 O2FC sont cruciaux dans la transition mondiale de la dépendance aux combustibles fossiles à l’adoption d’alternatives énergétiques plus respectueuses de l’environnement.
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Disclosures
Les auteurs n’ont aucun conflit à déclarer.
Acknowledgments
Ces travaux ont été soutenus par le Programme national de recherche et développement sur les technologies clés de la Chine (2021YFA0715302 et 2021YFE0191800), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (61975035 et 52150610489) et la Commission des sciences et de la technologie de la municipalité de 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 |
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