תאי דלק ללא מי חמצן כמקור אנרגיה נקי מבטיח
Summary
פרוטוקול זה מציג תכנון והערכה של אלקטרודות תלת-ממדיות חדשניות עבור תאי דלק מי חמצן, תוך שימוש בבד סיבי פחמן Au-electroplated ואלקטרודות Ni-foam. ממצאי המחקר מדגישים את הפוטנציאל של מי חמצן כמועמד מבטיח לטכנולוגיות אנרגיה בת קיימא.
Abstract
במחקר מעמיק של תאי דלק מבוססי מי חמצן ללא קרום (H 2 O 2 FCs), מי חמצן (H 2 O 2), תרכובת ניטרלית פחמן, מודגם לעבור פירוק אלקטרוכימי כדי לייצר H 2 O, O 2, ואנרגיה חשמלית. תכונות החיזור הייחודיות של H 2 O2מציבות אותו כמועמד בר קיימא ליישומי אנרגיה בת קיימא. התכנון המוצע ללא קרום מתייחס למגבלות של תאי דלק קונבנציונליים, כולל מורכבויות ייצור ואתגרי תכנון. אלקטרודה תלת מימדית חדשנית, מסונתזת באמצעות טכניקות electroplating, מוצג. אלקטרודה זו, הבנויה מבד סיבי פחמן Au-electroplated בשילוב עם Ni-foam, מציגה קינטיקה משופרת של תגובה אלקטרוכימית, המובילה לצפיפות הספק מוגברת עבור H 2O2 FCs. הביצועים של תאי דלק קשורים באופן מורכב לרמות ה- pH של תמיסת האלקטרוליטים. מעבר ליישומי FC, אלקטרודות כאלה טומנות בחובן פוטנציאל במערכות אנרגיה ניידות וכזרזים בעלי שטח פנים גבוה. מחקר זה מדגיש את חשיבותה של הנדסת אלקטרודות במיטוב הפוטנציאל של H 2 O2כמקור אנרגיה ידידותי לסביבה.
Introduction
תא דלק הוא מכשיר אלקטרוכימי המשתמש בדלק ובמחמצן כדי להמיר כימיקלים לאנרגיה חשמלית. למנועי FC יש יעילות המרת אנרגיה גבוהה יותר מאשר מנועי בעירה מסורתיים מכיוון שהם אינם מחויבים למחזורקרנו 1. על ידי שימוש בדלקים כגון מימן (H 2)2, בורוהידריד-מימן (NaBH 4)3 ואמוניה (NH 3)4, FCs הפכו למקור אנרגיה מבטיח, נקי מבחינה סביבתית ויכול להשיג ביצועים גבוהים, המציע פוטנציאל משמעותי להפחתת התלות האנושית בדלקים מאובנים. עם זאת, טכנולוגיית FC עומדת בפני אתגרים ספציפיים. בעיה נפוצה אחת היא התפקיד הפנימי של קרום חילופי פרוטונים (PEM) במערכת FC, הפועל כהגנה מפני קצרים פנימיים. השילוב של ממברנה אלקטרוליטית תורם להגדלת עלויות הייצור, התנגדות המעגלים הפנימיים והמורכבות האדריכלית5. יתר על כן, הפיכת FCs בעלי תא יחיד למערכים מרובי מחסניות מציגה סיבוכים נוספים עקב התהליך המורכב של שילוב תעלות זרימה, אלקטרודות ולוחות לשיפור הספק ותפוקות זרם5.
במהלך העשורים האחרונים, נעשו מאמצים מרוכזים להתמודד עם אתגרים אלה הקשורים לממברנה ולייעל את מערכת FC. יש לציין כי הופעתן של תצורות FC חסרות ממברנה המשתמשות בזרימות משותפות למינריות במספרי ריינולד נמוכים הציעה פתרון חדשני. בתצורות כאלה, הממשק בין שתי זרימות מתפקד כקרום מוליך פרוטונים “וירטואלי”6. FCs מבוססי זרימה למינרית (LFFCs) נחקרו באופן נרחב, תוך מינוף היתרונות של מיקרופלואידיקה 7,8,9,10. עם זאת, LFFCs דורשים תנאים מחמירים, כולל קלט אנרגיה גבוה לשאיבת דלקים למינריים/מחמצנים, הפחתת הצלבת מגיבים בזרמים זורמים, ואופטימיזציה של פרמטרים הידרודינמיים.
לאחרונה, H 2 O 2 זכה להתעניינות כדלק ומחמצן פוטנציאלי בשל אופיו הניטרלי פחמן, המניב מים (H 2 O) וחמצן (O 2) במהלך תהליכי אלקטרואוקסידציה ואלקטרו-רדוקציה באלקטרודות11,12. H2O2 יכול להיות מיוצר בייצור המוני באמצעות תהליך חיזור של שני אלקטרונים או בתהליך חמצון של שני אלקטרונים ממים12. בהמשך, בניגוד לדלקים גזיים אחרים, ניתן לשלב דלק נוזלי H 2 O2בתשתית בנזין קיימת 5. חוץ מזה, תגובת חוסר הפרופורציה של H 2 O 2 מאפשרת לשרת את H 2 O2הן כדלק והן כמחמצן. איור 1A מראה מבנה סכמטי של ארכיטקטורת H 2 O2FC. בהשוואה ל- FCs 2,3,4 מסורתיים, H 2 O2 FC מנצל את היתרונות של “פשטות” המכשיר. ימאסאקי ועמיתיו הדגימו H 2 O2FCs ללא קרום, כשהם ממלאים את התפקיד של דלק ומחמצן כאחד. המנגנון המתואר של ייצור אנרגיה חשמלית נתן השראה לקהילות מחקר להמשיך בכיוון מחקר זה6. לאחר מכן, מנגנוני אלקטרואוקסידציה ואלקטרו-רדוקציה המשתמשים ב-H 2 O2כדלק וכמחמצן יוצגו על ידי התגובות הבאות13,14
במדיה החומצית:
אנודה: H 2 O2 → O2 + 2H+ + 2e–; Ea1 = 0.68 V לעומתs. SHE
קתודה: H 2 O 2 + 2H+ + 2e– → 2H2 O; Ea2 = 1.77 V לעומת היא
סה”כ: 2 שעות 2O 2 → 2H 2 O + O 2
במדיה הבסיסית:
ח 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
אנודה: HO 2- + OH– → O 2 + H2 O + 2e–; Eb1 = 0.15 V לעומת היא
קתודה: HO 2- + H2O + 2E- → 3OH–; Eb2 = 0.87 V לעומת היא
סה”כ: 2 שעות 2O 2 → 2H 2 O + O 2
איור 1B מדגים את עקרון העבודה של H 2 O2 FCs. H 2 O 2תורם אלקטרונים באנודה ומקבל אלקטרונים בקתודה. מעבר אלקטרונים בין האנודה לקתודה מתרחש דרך מעגל חיצוני, וכתוצאה מכך נוצר חשמל. פוטנציאל המעגל הפתוח התאורטי (OCP) של H 2O2 FC הוא 1.09 V במדיה חומצית ו-0.62 V במדיה בסיסית13. עם זאת, תוצאות ניסוי רבות הראו ערכים נמוכים יותר, שהגיעו עד 0.75 V במדיה חומצית ו 0.35 V במדיה בסיסית, בהשוואה OCP תיאורטי. ניתן לייחס תצפית זו לנוכחות של פוטנציאל מעורב13. בנוסף, ההספק והתפוקה הנוכחית של H 2 O 2 FCs אינם יכולים להתחרות עם FCs2,3,4 שהוזכרו בשל הסלקטיביות הקטליטית המוגבלת של האלקטרודות. עם זאת, ראוי לציין כי הטכנולוגיה הנוכחית של H2 O 2 FC יכולה לעלות בביצועיה על H2, NaBH4 ו- NH3 FCs במונחים של עלות כוללת, כפי שמוצג בטבלה 1. לפיכך, הסלקטיביות הקטליטית המשופרת של אלקטרודותעבור אלקטרואוקסידציה H 2 O2 ואלקטרורדוקציה נותרה אתגר משמעותי עבור התקנים אלה.
במחקר זה, אנו מציגים אלקטרודה בעלת מבנה נקבובי תלת מימדי כדי לשפר את האינטראקציה בין האלקטרודה לבין דלק H 2O2, במטרה להגביר את קצב התגובה ולשפר את ההספק ואת תפוקת הזרם. אנו גם חוקרים את ההשפעה של ריכוז pH תמיסה וריכוז H2 O2 על ביצועי FC. זוג האלקטרודות המשמש במחקר זה כולל בד סיבי פחמן מצופה זהב וקצף ניקל. אפיון מבני מתבצע באמצעות עקיפה של קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), כאשר פוטנציאל מעגל פתוח (OCP), קיטוב ועקומות תפוקת כוח משמשים כפרמטרים העיקריים לבדיקת FC.
Protocol
Representative Results
Discussion
מספר פרמטרים משפיעים באופן משמעותי על הביצועים של תא דלק מי חמצן ללא קרום מעבר לריכוז pH תמיסה וריכוז H 2 O2. בחירת חומר האלקטרודה מכתיבה פעילות אלקטרוקטליטית ויציבות, בעוד ששטח הפנים של האלקטרודה יכול לשפר את אתרי התגובה. טמפרטורת ההפעלה משפיעה על קינטיקה של התגובה, וקצב הזרימה ש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית המו”פ הלאומית לטכנולוגיות מפתח של סין (2021YFA0715302 ו- 2021YFE0191800), הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (61975035 ו- 52150610489), וועדת המדע והטכנולוגיה של עיריית שנחאי (22ZR1405000).
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 |
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. i. l. e. y. 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).
