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Engineering

एक आशाजनक स्वच्छ ऊर्जा स्रोत के रूप में झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाएं

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

Summary

यह प्रोटोकॉल एयू-इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़े और नी-फोम इलेक्ट्रोड का उपयोग करके हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाओं के लिए अभिनव त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड के डिजाइन और मूल्यांकन का परिचय देता है। शोध के निष्कर्ष टिकाऊ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में हाइड्रोजन पेरोक्साइड की क्षमता को उजागर करते हैं।

Abstract

झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड-आधारित ईंधन कोशिकाओं (एच 2 ओ 2 एफसी) की गहन जांच में, हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच 2 ओ 2), एक कार्बन-तटस्थ यौगिक, एच 2 ओ, ओ 2और विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करनेके लिए विद्युत रासायनिक अपघटन से गुजरने के लिए प्रदर्शित किया गया है। एच 2 ओ2के अद्वितीय रेडॉक्स गुण इसे स्थायी ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार के रूप में स्थान देते हैं। प्रस्तावित झिल्ली रहित डिजाइन पारंपरिक ईंधन कोशिकाओं की सीमाओं को संबोधित करता है, जिसमें निर्माण जटिलताओं और डिजाइन चुनौतियां शामिल हैं। इलेक्ट्रोप्लेटिंग तकनीकों के माध्यम से संश्लेषित एक नया त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड पेश किया गया है। नी-फोम के साथ संयुक्त एयू-इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़े से निर्मित, यह इलेक्ट्रोड उन्नत इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया कैनेटीक्स को दर्शाता है, जिससे एच 2 ओ2एफसी के लिए बिजली घनत्व में वृद्धि होती है। ईंधन कोशिकाओं का प्रदर्शन इलेक्ट्रोलाइट समाधान के पीएच स्तर से जटिल रूप से जुड़ा हुआ है। एफसी अनुप्रयोगों से परे, ऐसे इलेक्ट्रोड पोर्टेबल ऊर्जा प्रणालियों में और उच्च सतह क्षेत्र उत्प्रेरक के रूप में क्षमता रखते हैं। यह अध्ययन पर्यावरण के अनुकूल ऊर्जा स्रोत के रूप में एच 2 ओ2की क्षमता को अनुकूलित करने में इलेक्ट्रोड इंजीनियरिंग के महत्व पर जोर देता है।

Introduction

एक ईंधन सेल एक विद्युत रासायनिक उपकरण है जो रसायनों को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए ईंधन और ऑक्सीडेंट का उपयोग करता है। एफसी में पारंपरिक दहन इंजन ों की तुलना में उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता होती है क्योंकि वे कार्नोट चक्र1 से बंधे नहीं होते हैं। हाइड्रोजन (एच 2)2, बोरोहाइड्राइड-हाइड्रोजन (एनएबीएच 4)3, और अमोनिया (एनएच 3)4 जैसे ईंधन का उपयोग करके, एफसी एक आशाजनक ऊर्जा स्रोत बन गए हैं जो पर्यावरणीय रूप से स्वच्छ है और उच्च प्रदर्शन प्राप्त कर सकता है, जीवाश्म ईंधन पर मानव निर्भरता को कम करने की महत्वपूर्ण क्षमता प्रदान करता है। हालांकि, एफसी प्रौद्योगिकी विशिष्ट चुनौतियों का सामना करती है। एक प्रचलित मुद्दा एफसी प्रणाली में प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएम) की आंतरिक भूमिका है, जो आंतरिक शॉर्ट सर्किट के खिलाफ सुरक्षा के रूप में कार्य करता है। इलेक्ट्रोलाइटिक झिल्ली का एकीकरण निर्माण लागत, आंतरिक सर्किट प्रतिरोध और वास्तुशिल्प जटिलता में वृद्धि में योगदान देताहै। इसके अलावा, सिंगल-कम्पार्टमेंट एफसी को मल्टी-स्टैक सरणी में बदलने से बिजली और वर्तमान आउटपुट को बढ़ाने के लिए प्रवाह चैनलों, इलेक्ट्रोड और प्लेटों को एकीकृत करने की जटिल प्रक्रिया के कारण अतिरिक्तजटिलताओं का परिचय मिलता है।

पिछले दशकों में, इन झिल्ली से संबंधित चुनौतियों का समाधान करने और एफसी प्रणाली को सुव्यवस्थित करने के लिए ठोस प्रयास किए गए हैं। विशेष रूप से, कम रेनॉल्ड संख्याओं पर लैमिनर सह-प्रवाह का उपयोग करके झिल्ली रहित एफसी कॉन्फ़िगरेशन के उद्भव ने एक अभिनव समाधान की पेशकश की है। ऐसे सेटअप में, दो प्रवाहों के बीच का इंटरफ़ेस "आभासी" प्रोटॉन-संचालन झिल्ली6 के रूप में कार्य करता है। लामिनार प्रवाह-आधारित एफसी (एलएफएफसी) का व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है, जो माइक्रोफ्लुइडिक्स 7,8,9,10 के लाभों का लाभ उठाता है। हालांकि, एलएफएफसी को कठोर शर्तों की आवश्यकता होती है, जिसमें लैमिनर ईंधन / ऑक्सीडेंट पंप करने के लिए उच्च ऊर्जा इनपुट, तरल धाराओं में अभिकारक क्रॉसओवर का शमन और हाइड्रोडायनामिक मापदंडों का अनुकूलन शामिल है।

हाल ही में, एच 2 ओ 2 ने अपनी कार्बन-तटस्थ प्रकृति के कारण संभावित ईंधन और ऑक्सीडेंट के रूप में रुचि प्राप्त की है, इलेक्ट्रोड11,12 पर इलेक्ट्रोऑक्सीडेशन और इलेक्ट्रोरिडक्शन प्रक्रियाओं के दौरान पानी (एच 2 ओ) और ऑक्सीजन (ओ2) उत्पन्न करता है। एच2 ओ2 को दो-इलेक्ट्रॉन कमी प्रक्रिया का उपयोग करके या पानी से दो-इलेक्ट्रॉन ऑक्सीकरण प्रक्रिया द्वारा बड़े पैमाने पर उत्पादित किया जा सकताहै। इसके बाद, अन्य गैसीय ईंधन के विपरीत, तरल एच 2 ओ2ईंधन को मौजूदा गैसोलीन बुनियादी ढांचे में एकीकृत किया जा सकता है। इसके अलावा, एच 2 ओ 2 असमान प्रतिक्रिया ईंधन और ऑक्सीडेंट दोनों के रूप में एच2 ओ2 की सेवा करना संभव बनाती है। चित्रा 1 ए एक सरल एच 2 ओ2एफसी की वास्तुकला की एक योजनाबद्ध संरचना दिखाता है। पारंपरिक एफसी 2,3,4 की तुलना में, एच 2 ओ2 एफसी डिवाइस "सादगी" के फायदे का उपयोग करता है। यामासाकी एट अल ने झिल्लीरहितएच 2 ओ2 एफसी का प्रदर्शन किया, जो ईंधन और ऑक्सीडेंट दोनों की भूमिका निभा रहा था। विद्युत ऊर्जा उत्पादन के वर्णित तंत्र ने अनुसंधान समुदायों को इस शोध दिशा को जारी रखने के लिए प्रेरित कियाहै। इसके बाद, ईंधन और ऑक्सीडेंट के रूप में एच2 ओ2 का उपयोग करके इलेक्ट्रोऑक्सीडेशन और इलेक्ट्रोरिडक्शन तंत्र को निम्नलिखित प्रतिक्रियाओं13,14 द्वारा दर्शाया गया है।

अम्लीय मीडिया में:

एनोड: एच 2 ओ 2 → ओ 2 + 2 एच + +2ई-; Ea1 = 0.68 V vs.
कैथोड: एच 2 ओ 2 + 2 एच + + 2 ई- → 2 एच2 ओ; Ea2 = 1.77 V बनाम वहस्त्री
कुल: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2

मूल मीडिया में:

H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
एनोड: एचओ 2- + ओएच- → ओ 2 + एच 2 ओ +2 ई-; Eb1 = 0.15 V बनाम। वहस्त्री
कैथोड: एचओ 2- + एच 2 ओ +2ई- → 3ओएच-; Eb2 = 0.87 V बनाम वहस्त्री
कुल: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2

चित्र 1B H 2 O 2 FCs के कार्य सिद्धांत को दर्शाता है। H 2 O2एनोड पर इलेक्ट्रॉनों को दान करता है और कैथोड पर इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करता है। एनोड और कैथोड के बीच इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण एक बाहरी सर्किट के माध्यम से होता है, जिसके परिणामस्वरूप बिजली का उत्पादन होता है। एच 2 ओ2एफसी की सैद्धांतिक ओपन सर्किट क्षमता (ओसीपी) अम्लीय मीडिया में 1.09 वी और बुनियादी मीडिया13 में 0.62 वी है। हालांकि, कई प्रयोगात्मक परिणामों ने सैद्धांतिक ओसीपी की तुलना में अम्लीय मीडिया में 0.75 वी और बुनियादी मीडिया में 0.35 वी तक पहुंचने वाले कम मूल्यों को दिखाया है। इस अवलोकन को मिश्रित क्षमता13 की उपस्थिति के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, एच 2 ओ 2 एफसी की शक्ति और वर्तमान उत्पादन इलेक्ट्रोड की सीमित उत्प्रेरक चयनात्मकता के कारण उल्लिखित एफसी 2,3,4 के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकते हैं। फिर भी, यह उल्लेखनीय है कि वर्तमान एच 2 ओ 2 एफसी तकनीक समग्र लागत के मामले में एच2, एनएबीएच4 और एनएच3 एफसी से बेहतर प्रदर्शन कर सकती है, जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है। इस प्रकार, एच 2 ओ2इलेक्ट्रोऑक्सीडेशन और इलेक्ट्रोरिडक्शन के लिए इलेक्ट्रोड की बढ़ी हुई उत्प्रेरक चयनात्मकता इन उपकरणों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है।

इस अध्ययन में, हम इलेक्ट्रोड और एच 2 ओ2ईंधन के बीच बातचीत में सुधार करने के लिए एक त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण संरचना इलेक्ट्रोड पेश करते हैं, जिसका उद्देश्य प्रतिक्रिया दर को बढ़ाना और शक्ति और वर्तमान उत्पादन को बढ़ाना है। हम एफसी के प्रदर्शन पर समाधान पीएच और एच 2 ओ2एकाग्रता के प्रभाव की भी जांच करते हैं। इस अध्ययन में उपयोग की जाने वाली इलेक्ट्रोड जोड़ी में एक गोल्ड-इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़ा और निकल फोम शामिल हैं। एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग करके संरचनात्मक लक्षण वर्णन किया जाता है, जिसमें ओपन सर्किट पोटेंशियल (ओसीपी), ध्रुवीकरण और पावर आउटपुट कर्व्स एफसी परीक्षण के लिए प्राथमिक मापदंडों के रूप में कार्य करते हैं।

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Protocol

1. सामग्री का पूर्व-प्रसंस्करण

नोट: 25 मिमी x 25 मिमी x 1.5 मिमी के साथ नी-फोम (व्यावसायिक रूप से उपलब्ध, सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग एच 2 ओ2एफसी के एनोड के लिए किया जाता है।

  1. नी-फोम के नमूने को अल्कोहल और विआयनीकृत (डीआई) पानी में डुबोएं, तीन बार सोनिकेट, विलायक और पानी में 5 मिनट। इसके बाद, नी-फोम को एक साफ ग्लास सब्सट्रेट पर रखें।
  2. कैथोड सब्सट्रेट के रूप में कार्बन फाइबर कपड़े ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करें। कैंची का उपयोग करके कार्बन कपड़े को 25 मिमी x 25 मिमी वर्ग टुकड़ों में काटें।
  3. कार्बन कपड़े के नमूने को एसीटोन, 75% अल्कोहल, डीआई पानी और सोनिकेट में क्रमशः 5 मिनट के लिए तीन बार डुबोएं। फिर, अल्कोहल के अवशेषों को हटाने के लिए डीआई पानी के साथ कार्बन कपड़े को फ्लश करें। कार्बन कपड़े को ग्लास सब्सट्रेट पर रखें।
    नोट: चर्चा किए गए शोध परिणामों15,16 के आधार पर, कैथोड के रूप में एयू और एनोड के रूप में नी को एच 2 ओ 2 एफसी के उत्प्रेरक के रूप में चुना गया है। पीटी, पीडी, नी, एयू और एजी जैसी धातुओं में एच 2 ओ2 ऑक्सीकरण या कमी प्रतिक्रिया के प्रति विशिष्ट उत्प्रेरक चयनात्मकता होती है, जिससे वे उपयुक्त इलेक्ट्रोड सामग्री बनाते हैं। Au@carbon फाइबर इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोकैटेलिटिक गतिविधि, स्थिरता और बढ़ी हुई चालकता का संयोजन प्रदान करता है, जिससे यह झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाओं के लिए एक उपयुक्त विकल्प बन जाता है।

2. कार्बन कपड़े पर एयू की इलेक्ट्रोप्लेटिंग

  1. निम्नलिखित द्वारा दिए गए अनुसार इलेक्ट्रोप्लेटिंग के लिए अभिकर्मक तैयार करें: क्लोरोऑरिक एसिड (एचएयूसीएल4), पोटेशियम क्लोराइड (केसीएल), हाइड्रोक्लोरिक एसिड (एचसीएल), और डीआई पानी ( सामग्री की तालिका देखें)।
  2. एक साफ बीकर में 0.005 M HAuCl4, 0.1 M KCl, और 0.01 M HCl के साथ 80 mL समाधान (बीकर की मात्रा के आधार पर) तैयार करें।
  3. इलेक्ट्रोप्लेटिंग सामग्री, कार्बन कपड़ा, और चढ़ाना समाधान तैयार करें। इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रक्रिया इलेक्ट्रोकेमिकल स्टेशन (ईएस) द्वारा चलाई जाती है ( सामग्री की तालिका देखें)।
    नोट: प्लेटिंग के लिए यहां तीन इलेक्ट्रोड विधि का चयन किया गया है: वर्किंग इलेक्ट्रोड (डब्ल्यूई) के रूप में कार्बन कपड़ा, काउंटर इलेक्ट्रोड (सीई) के रूप में ग्रेफाइट रॉड, और संदर्भ इलेक्ट्रोड (आरई) के रूप में एजी / एजीसीएल (संतृप्त 1 एम केसीएल समाधान)।
  4. सुनिश्चित करें कि प्रत्येक इलेक्ट्रोड सही वस्तु को दबा रहा है। प्लेटिंग समाधान में इलेक्ट्रोड डुबोएं।
  5. ईएस शुरू करें। प्रोग्राम को क्रोनोम्परोमेट्री विधि पर सेट करें, जैसा कि चित्र 1 सी में दिखाया गया है। सुनिश्चित करें कि एक एकल जमा सर्कल निम्नानुसार है: 0.1 एस के लिए कार्य क्षमता 0.1 वी और 0.2 एस के लिए आराम क्षमता 0.2 वी। नतीजतन, एयूसीएल4- आयन डब्ल्यूई के चारों ओर समान रूप से फैलता है।
    1. 800, 1600, 2400 और 3200 सर्कल पर इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल सेट करें। प्रोग्राम चलाएँ ।
      नोट: आमतौर पर, ईएस में क्रोनोम्परोमेट्री विधि प्रोग्राम 1600 चक्र प्राप्त नहीं कर सकता है। वैकल्पिक रूप से, ईएस के मल्टी-पोटेंशियल स्टेप्स प्रोग्राम का उपयोग इलेक्ट्रोप्लेटिंग विधि के लिए भी किया जा सकता है, क्रोनोम्पेरोमेट्री विधि के समान चयन (निर्माता के निर्देश देखें)।
  6. इलेक्ट्रोप्लेटिंग के बाद, ईएस को बंद करें, अभिकर्मकों को पैक करें, और एयू इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़ा एकत्र करें (Au@CF).
  7. घोल अवशेषों को हटाने के लिए Au@CF को डीआई पानी में तीन बार डुबोएं। इसे हवा में सूखने के लिए ग्लास सब्सट्रेट पर रखें।
  8. सीएफ के हिस्से को समाधान से संपर्क करने से रोकने के लिए क्लैंप के कारण Au@CF के अन-प्लेटेड हिस्से को काट दें।
  9. विद्युत घनत्व की गणना के लिए एक शासक के साथ Au@CF (a: लंबाई, b: चौड़ाई) के आकार को मापें।

3. एक एफसी के प्रदर्शन लक्षण वर्णन

  1. दो सांद्रता वाले समाधान तैयार करें, एक समाधान पीएच ढाल (1 मोल एच 2 ओ 2, पीएच = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13) के लिए, जबकि दूसरा एच 2 ओ 2 (सी एचपी) ढाल (पीएच = 1, सीएचपी = 0.25 मोल, 0.5 मोल, 1 मोल,2 मोल) के लिए।
  2. ओसीपी के लिए दो इलेक्ट्रोड और ध्रुवीकरण और पावर आउटपुट कर्व्स के लिए तीन इलेक्ट्रोड के साथ ईएस द्वारा एफसी प्रदर्शन को चिह्नित करें (चरण 3.3-3.6)।
  3. नी-फोम को फिर से धोएं और डीआई पानी के साथ दो बार फिर से Au@CF। उन्हें स्टैंडबाय के लिए अलग रखें।
  4. एफसी के परीक्षण के दौरान ओसीपी डेटा प्राप्त करें: ओसीपी एफसी प्रदर्शन में एक आवश्यक पैरामीटर है।
    1. आरई और सीई दोनों के रूप में नी-फोम का उपयोग करें, और Au@CF हम के रूप में। परीक्षण बीकर में समाधान जोड़ें। इलेक्ट्रोड को ईएस से कनेक्ट करें। ES चालू करें।
    2. सर्किट क्षमता खोलने के लिए प्रोग्राम सेट करें - समय विधि; रन समय: 400 सेकंड, नमूना अंतराल: 0.1 एस, उच्च ई सीमा: 1 वी, कम ई सीमा: -1 वी।
      नोट: एफसी आउटपुट को स्थिर होने में अक्सर समय लगता है। स्थिर एफसी परिणाम प्राप्त होने तक माप चलाएं।
    3. डेटा को मापें। प्रोग्राम बंद करें। बीकर और इलेक्ट्रोड धो लें। विशिष्ट परीक्षणों के लिए अन्य समाधान जोड़ें।
  5. ओसीपी डेटा के आधार पर एफसी के आउटपुट प्रदर्शन का परीक्षण करें। यहां, केवल मूल रैखिक स्वीप वोल्टामेट्री (एलएसवी) वक्र डेटा की आवश्यकता है। आगे आउटपुट डेटा की गणना एलएसवी वक्र से की जा सकती है।
    1. नी-फोम को फिर से धोएं और डीआई पानी के साथ Au@CF करें (दो बार दोहराएं)। आरई और सीई के रूप में नी-फोम का उपयोग करें, Au@CF हम के रूप में। परीक्षण बीकर में समाधान जोड़ें।
    2. प्रोग्राम को एलएसवी पर सेट करें, ओसीपी को प्रारंभिक ई के रूप में, 0 वी को अंतिम ई के रूप में, स्कैन दर को 0.01 वी / एस के रूप में, ओपन सर्किट (ओसीपी) और शॉर्ट सर्किट (0 वी) की स्थितियों के अनुरूप। प्रोग्राम चलाएँ।
    3. डेटा एकत्र करें, प्रोग्राम को बंद करें, बीकर और इलेक्ट्रोड धोएं, और विशिष्ट परीक्षणों के लिए अन्य आवश्यक समाधान जोड़ें।
  6. प्रयोगों के बाद इलेक्ट्रोड धो लें और उन्हें एक गिलास पर स्टोर करें।
    नोट: प्रयोग डेटा EXCEL स्वरूप में संग्रहीत किया जा सकता है।

4. इलेक्ट्रोड के संरचनात्मक लक्षण वर्णन

नोट: एक्सआरडी नमूने का विश्लेषण करने के लिए एक आसान और विश्वसनीय तरीका है। एक्सआरडी को इलेक्ट्रोड के तत्वों का पता लगाने के लिए लिया जाता है, जैसे कि कार्बन कपड़े पर इलेक्ट्रोप्लेटेड एयू। इलेक्ट्रोड के संभावित संक्षारण और गिरावट का विश्लेषण करने के लिए एफसी लक्षण वर्णन से पहले और बाद में एक्सआरडी परीक्षण किए जाते हैं। उदाहरण के लिए, एयू कण सीएफ से अलग हो सकते हैं, और निकल जंग अम्लीय समाधान5 में हो सकता है।

  1. इलेक्ट्रोड को डीआई पानी (दो बार) से धोएं और उन्हें कमरे के तापमान पर हवा में सुखाएं।
  2. चिमटी के साथ इलेक्ट्रोड पर धातुओं को खुरचलें। धातु पाउडर इकट्ठा करें और इसे एक कंटेनर में रखें।
  3. धातु पाउडर के नमूनों पर एक्सआरडी परीक्षण17करें।
  4. इलेक्ट्रोड की आकृति विज्ञान को चिह्नित करने और सोने और कार्बन फाइबर कपड़े के बीच घुसपैठ और इलेक्ट्रोप्लेटिंग की जांच करने के लिए एसईएम लें। इसके अलावा, एसईएम द्वारा निकल के संक्षारण को चिह्नित करें।

5. डेटा प्रोसेसिंग और पावर आउटपुट गणना

  1. सभी डेटा का विश्लेषण एक्सेल में किया जा सकता है। डेटा का विश्लेषण करने और प्रयोगात्मक ग्राफ़ प्लॉट करने के लिए Excel या Origin का उपयोग करें.
  2. इलेक्ट्रोड की चयनात्मकता को चिह्नित करने के लिए ओसीपी डेटा का उपयोग करें, उदाहरण के लिए, तालिका या लाइन आकृति का उपयोग करना। तालिका किंवदंतियों के लिए औसत क्षमता का उपयोग करें। आमतौर पर, एफसी की स्थिरता को प्रदर्शित करने के लिए एक लाइन आंकड़े का उपयोग किया जाता है।
  3. FC के आउटपुट प्रदर्शन को चिह्नित करने के लिए LSV डेटा का उपयोग करें। EXCEL फ़ाइल में डेटा के दो स्तंभ हैं. आमतौर पर, एक डेटा सेट संभावित (यू) दिखाता है, और दूसरा वर्तमान (आई) दर्ज किया जाता है। निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके पावर आउटपुट की गणना करें: P = U × I
    नोट: एक उच्च वर्तमान (आई) मान एफसी के संतोषजनक प्रदर्शन को दर्शाता है। उदाहरण के लिए, एक बड़े इलेक्ट्रोड सतह क्षेत्र के परिणामस्वरूप उच्च धाराएं होती हैं। एफसी के प्रदर्शन को संदर्भित एक सामान्यीकृत पैरामीटर वर्तमान घनत्व (आईडी) है, जो इलेक्ट्रोड के सतह क्षेत्र (ए) द्वारा विभाजित वर्तमान के बराबर है: आईडी = आई /
  4. इसके बाद, बिजली घनत्व (पीडी) की गणना करें: पी डी = यू × आईडी
    नोट: पूर्ण मान लेना आवश्यक है, क्योंकि प्रारंभिक डेटा मान वर्तमान की दिशा के कारण नकारात्मक हो सकते हैं, जो माप के दौरान वांछनीय नहीं है।
  5. एक ही आंकड़े के भीतर यू, आई डी और पीडी का उपयोग करके मापदंडों की तुलना करना सीधा है। आईडी को एक्स-अक्ष पर असाइन करें, यू को बाएं वाई-अक्ष पर, और पीडीको दाएं वाई-अक्ष पर असाइन करें।

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Representative Results

इलेक्ट्रोप्लेटिंग के परिणाम
चित्रा 2 इलेक्ट्रोप्लेटिंग परिणाम दिखाता है। चित्रा 2 ए एक्स-रे विवर्तन परिणाम को इंगित करता है। चित्रा 2 बी, सी माइक्रोग्राफ हैं। चित्रा 2 डी, ई एसईएम परिणाम हैं। कार्बन फाइबर कपड़े (सीएफ) पर सोने (एयू) के प्रभावी जमाव की पुष्टि पहली बार कार्बन फाइबर कपड़े में काले से सुनहरे पीले रंग में रंग के भौतिक परिवर्तन का उपयोग करके की गई थी, जैसा कि चित्र 2 बी, सी में दिखाया गया है। एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण द्वारा आगे का सत्यापन प्राप्त किया जाता है, जिसने फेस-केंद्रित क्यूबिक (एफसीसी) एयू (पीडीएफ कार्ड नंबर 04-0784) के क्रिस्टल विमानों के अनुरूप 38.2 डिग्री, 44.4 डिग्री, 64.6 डिग्री और 77.6 डिग्री पर स्पष्ट चोटियां दिखाईं, जिससे सीएफ सब्सट्रेट पर एयू के सफल इलेक्ट्रोप्लेटिंग की पुष्टि हुई।

Au@carbon फाइबर इलेक्ट्रोड में एयू सामग्री का अनुमान निम्नानुसार लगाया जा सकता है: एचएयूसीएल4 के 1 ग्राम से शुरू; इसका उपयोग लगभग 15 इलेक्ट्रोप्लेटिंग सत्रों के लिए किया जा सकता है। HAUCl 4 के 1 ग्राम से सोने की सामग्री (mAu) की गणना सूत्र का उपयोग करके की जाती है:

Equation 1

एमएयू = 0.58 ग्राम का अनुमान लगाने के लिए। जब 15 सत्रों के बीच विभाजित किया जाता है, तो प्रत्येक इलेक्ट्रोप्लेटिंग समाधान में एयू3 + आयनों का निम्नलिखित वजन होता है:

Equation 2

हालांकि, यह ध्यान रखना आवश्यक है कि इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रक्रिया के दौरान समाधान में सभी एयू3 + आयन कार्बन फाइबर कपड़े पर जमा नहीं होते हैं। इसलिए, प्रत्येक कार्बन फाइबर कपड़े में एयू के 0.039 ग्राम से कम होता है।

चित्रा 2 डी-आई में एसईएम छवियों ने कार्बन फाइबर कपड़े में एयू नैनोकणों के एक समान फैलाव का संकेत दिया। उल्लेखनीय रूप से, सीएफ की मूल त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण संरचना अच्छी तरह से संरक्षित पोस्ट-इलेक्ट्रोप्लेटिंग बनी रही। यह संरक्षण महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह एच 2 ओ2ईंधन के साथ बातचीत के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करता है, जिससे प्रतिक्रिया दर और बिजली उत्पादन में सुधार होता है।

चित्रा 3 दिखाता है Au@CFs इलेक्ट्रोप्लेटिंग चक्रों की अलग-अलग संख्या के अधीन है। चित्रा 3 ए एयू इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़े की रंग प्रगति पर प्रकाश डालता है। सीएफ के मूल काले से एयू के सोने में रंग संक्रमण, जो प्रकाश से अंधेरे में तेज हो गया, सीएफ पर जमा एयू की मात्रा में वृद्धि का सुझाव देता है क्योंकि इलेक्ट्रोप्लेटिंग चक्रों की संख्या में वृद्धि हुई है। इस निष्कर्ष के लिए आगे का समर्थन एसईएम छवियों, चित्रा 3 बी-ई से आता है, जो कार्बन फाइबर कपड़े में एयू के विकसित वितरण को प्रकट करता है।

एच2 ओ2 एफसी प्रदर्शन परिणाम
एफसी के ओसीपी को विभिन्न समाधान पीएच और एच 2 ओ 2 सांद्रता के लिएमापा गया था, जो एच 2 ओ 2एफसी के विद्युत रासायनिक गुणों की व्याख्या करने में मदद करता है। पीएच और एच 2 ओ2एकाग्रता दोनों पर ओसीपी की स्पष्ट निर्भरता देखी गई थी। उच्चतम ओसीपी 1 के पीएच और 0.25 मोल की एच 2ओ2 एकाग्रता पर हासिल किया गया था। पीएच से संबंधित ओसीपी निष्कर्ष पिछले अध्ययनों से सहमत हैं जो दर्शाते हैं किएच 2 ओ2 असंगतता और एफसी प्रदर्शन अत्यधिक पीएच-निर्भर18 हैं। एक कम पीएच एच 2 ओ 2 समाधानको स्थिर करने में मदद करता है, क्योंकि एच 2 ओ 2 को एक कमजोर एसिड के रूप में देखा जा सकता है। 11 से ऊपर पीएच वाले बुनियादी समाधानों में एच 2 ओ2का पर्याप्त रासायनिक अपघटन स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है। इसके अलावा, नर्नस्ट समीकरण18 के अनुसार, ओसीपी आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइट्स की एकाग्रता बढ़ने के साथ बढ़ता है। हालांकि, अन्य एफसी के विपरीत, एच 2 ओ 2 एफसी का ओसीपी घट जाता है क्योंकि एच 2 ओ 2एकाग्रता बढ़जाती है, खासकर एयू इलेक्ट्रोड19 का उपयोग करके। यह अनुमान लगाया गया है कि यह अवलोकन मिश्रित क्षमता या सीमित इलेक्ट्रोड चयनों के कारण है। एक उच्च सांद्रता एक उच्च रासायनिक अपघटन दर की ओर ले जाती है, इस प्रकार ओसीपी को कम करती है। बहरहाल, इस अवलोकन की अधिक विस्तार से जांच करने के लिए आगे के शोध की आवश्यकता है।

ध्रुवीकरण और पावर आउटपुट कर्व्स को विशिष्ट समाधानों और इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल स्थितियों का उपयोग करके प्राप्त किया गया है। अधिकतम बिजली उत्पादन विशिष्ट इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल स्थितियों (पीएच 1, एच 2 ओ2एकाग्रता 1 मोल, इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल 3200) का उपयोग करके इष्टतम परिस्थितियों में प्राप्त किया गया था। इष्टतम समाधान स्थितियों का उपयोग करके, अधिकतम बिजली उत्पादन इष्टतम परिस्थितियों (पीएच 1, एच 2 ओ 2 एकाग्रता2मोल) पर प्राप्त किया गया था। यह अधिकतम पावर आउटपुट मूल्य गैर-इष्टतम स्थितियों के साथ प्राप्त लोगों की तुलना में काफी अधिक है, जो उच्च प्रदर्शन एच 2 ओ2एफसी को प्राप्त करने के लिए इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल और समाधान स्थितियों के अनुकूलन के महत्व को उजागर करता है।

एच 2ओ2 एफसी निरंतर 400 एस माप के दौरान इष्टतम परिस्थितियों का उपयोग करके संतोषजनक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं।

नी-फोम और Au@CF इलेक्ट्रोड के एक्सआरडी विश्लेषण17 (एफसी प्रदर्शन परीक्षणों से पहले और बाद में) ने नगण्य परिवर्तन दिखाए, जो इष्टतम संचालन स्थितियों का उपयोग करके इलेक्ट्रोड के संतोषजनक संक्षारण प्रतिरोध का संकेत देते हैं। उल्लिखित प्रोटोकॉल के बाद, देखे गए परिणामों को चित्रित किया जाता है और तीन-आयामीछिद्रपूर्ण इलेक्ट्रोड के साथ एच 2 ओ2 एफसी के बढ़े हुए प्रदर्शन को दिखाया जाता है।

सकारात्मक परिणाम:
जैसा कि चित्र 4 ए में दर्शाया गया है, विद्युत चढ़ाना चक्रों की अधिक संख्या के साथ शक्ति और वर्तमान घनत्व में वृद्धि देखी गई थी। इस अवलोकन को बड़े इलेक्ट्रोप्लेटिंग चक्रों के साथ सीएफ पर अधिक एयू चढ़ाया जा रहा है, जो विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सुविधाजनक बनाने के लिए अधिक सक्रिय सामग्री प्रदान करता है। हालांकि, एफसी प्रदर्शन वृद्धि इलेक्ट्रोप्लेटिंग चक्रों की संख्या के साथ आनुपातिक रूप से नहीं बढ़ती है। विद्युत चढ़ाना चक्र 800 से 1600 तक दोगुना होने पर वर्तमान और बिजली घनत्व में लगभग 20% का मामूली सुधार दर्ज किया गया था। इसने सुझाव दिया कि अत्यधिक इलेक्ट्रोप्लेटिंग से एक परत का निर्माण हो सकता है जो नैनो एयू को घेरता है, जिससे बड़े पैमाने पर परिवहन दक्षता कम हो जाती है। यह खोज उत्प्रेरक निर्माण की इलेक्ट्रोप्लेटिंग विधि में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है।

चित्रा 4 बी 1 के पीएच के साथ समाधानों में विभिन्न सांद्रता पर एच 2 ओ2एफसी के ओपन-सर्किट क्षमता (ओसीपी) के स्थायित्व को दर्शाता है। डेटा इंगित करता है कि इलेक्ट्रोड महत्वपूर्ण गिरावट के बिना कम से कम 400 सेकंड तक लगातार काम कर सकता है, जो इलेक्ट्रोप्लेटिंग के माध्यम से निर्मित इलेक्ट्रोड की मजबूती को दर्शाता है।

दिलचस्प बात यह है कि एच 2 ओ2एफसी के ओसीपी ने अम्लीय और बुनियादी मीडिया दोनों में सैद्धांतिक मूल्य को पार कर लिया, यह सुझाव देते हुए कि डिज़ाइन किया गया इलेक्ट्रोड एफसी के भीतर प्रतिक्रियाओं को प्रभावी ढंग से उत्प्रेरित करता है। एफसी की शक्ति और वर्तमान उत्पादन एच 2 ओ2एकाग्रता के साथ बढ़ता हुआ पाया गया, जो एक विशिष्ट पीएच पर चरम पर पहुंच गया। यह अवलोकन इलेक्ट्रोड की प्रभावशीलता की पुष्टि करता है और एफसी प्रदर्शन पर समाधान पीएच और एच 2ओ2 एकाग्रता के प्रभाव पर प्रकाश डालता है।

चित्रा 4 सी इष्टतम परिस्थितियों में एफसी के ध्रुवीकरण और शक्ति घनत्व वक्रों को प्रस्तुत करता है। लगभग 0.8 डब्ल्यू एम -2 का पीक पावर घनत्व 2 एम की एच 2 ओ2एकाग्रता और 1 के पीएच पर हासिल किया गया था, जो एफसी की प्रतिक्रियाओं को सुविधाजनक बनाने और बिजली उत्पादन को बढ़ाने में त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण इलेक्ट्रोड की दक्षता का प्रदर्शन करता है।

नकारात्मक परिणाम:
दूसरी ओर, अत्यधिक उच्च एच 2 ओ2सांद्रता पर उप-मानक परिणाम देखे गए। जैसा कि चित्र 4 सी में दिखाया गया है, एक इष्टतम बिंदु से परे एच 2 ओ 2 एकाग्रता में वृद्धि के परिणामस्वरूप प्रदर्शन में आनुपातिक वृद्धि नहीं होती है, जो ईंधन उपयोग और प्रदर्शन आउटपुट को संतुलित करने के लिए एफसी ऑपरेशन के लिए एक आदर्श एच 2 ओ 2 एकाग्रता के अस्तित्व को रेखांकित करती है। उदाहरण के लिए, अधिकतम शक्ति घनत्व 0.56 W m-2 से 0.81 W m-2 तक लगभग 44% बढ़ गया जब H2O2सांद्रता 0.25 M से 2 M तक आठ गुना बढ़ गई।

इसके अलावा, एफसी प्रदर्शन समाधान पीएच के प्रति संवेदनशील पाया गया। अत्यधिक अम्लीय और बुनियादी परिस्थितियों (पीएच मान 3 से नीचे और 11 से ऊपर) के तहत, एफसी का बिजली उत्पादन अपेक्षाकृत अधिक था, जैसा कि चित्रा 4 डी में देखा गया है।

ये परिणाम स्पष्ट करते हैं कि विभिन्न पैरामीटर एच 2 ओ2एफसी के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करते हैं। रासायनिक संरचना के आगे अनुकूलन और अधिक चयनात्मक इलेक्ट्रोकेटेलिस्ट के विकास के साथ, यह आशाजनक और पर्यावरण के अनुकूल ऊर्जा उपकरण व्यावहारिक अनुप्रयोग पा सकता है। तालिका 1 एफसी सिस्टम20,21,22 पर उत्पन्न प्रतिस्पर्धी ईंधन लागत और ऊर्जा को दर्शाती है।

Figure 1
चित्रा 1: इस अध्ययन का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। (ए) एकल झिल्ली रहित एफसी का योजनाबद्ध एकीकरण। (बी) एच 2 ओ2एफसी का एक कार्य सिद्धांत। (सी) कार्बन फाइबर कपड़े पर पूर्व-प्रसंस्करण के साथ इलेक्ट्रोप्लेटिंग विधि की प्रक्रिया, 5 एमएम एचएयूसीएल4, 1 एमएचसीएल का इलेक्ट्रोप्लेटिंग समाधान और इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रोग्राम। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: 1600 वृत्तों का संरचनात्मक लक्षण वर्णन इलेक्ट्रोप्लेटेड Au@CF (ए) Au@CF का एक्सआरडी परिणाम। (बी) इलेक्ट्रोप्लेटिंग से पहले सीएफ का माइक्रोग्राफ। (सी) एयू जमा करने के बाद सीएफ का माइक्रोग्राफ। (डी, ई); (एफ, जी); और (एच, आई) क्रमशः इलेक्ट्रोप्लेटिंग से पहले, इलेक्ट्रोप्लेटिंग के बाद और प्रदर्शन परीक्षणों के बाद सीएफ के लिए एसईएम परिणाम हैं। स्केल बार: (डी), 20 μm; (ई, जी), 1 μm; (F, H, I), 10 μm. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: विभिन्न इलेक्ट्रोप्लेटिंग वृत्तों के तहत Au@CF के माइक्रोग्राफ और एसईएम परिणाम। (A) बाएं से दाएं क्रमशः 0, 800, 1600, 2400 और 3200 इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल Au@CF हैं। (बी-ई) क्रमशः 800, 1600, 2400 और 3200 इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल से कम Au@CF की एसईएम छवियां हैं। स्केल बार: (बी, डी), 10 μm; (सी), 2 μm; (E), 3 μm. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
(ए) पीएच = 1, सीएचपी = 1 एम समाधान में विभिन्न इलेक्ट्रोप्लेटिंग सर्कल (800, 1600, 2400, 3200 सर्कल) का उपयोग करके ध्रुवीकरण (बाएं) और पावर आउटपुट (दाएं) वक्र। (B) pH = 1 समाधानों में विभिन्न H2 O 2 सांद्रता (0.25 M, 0.5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) के तहत OCP परीक्षण और 400 s के लिए 1600 वृत्तों के साथ इलेक्ट्रोप्लेटेड Au@CF (C) ध्रुवीकरण (बाएं) और पावर आउटपुट (दाएं) वक्र विभिन्नH2O 2सांद्रता (0.25 M, 0.5 M, 1 M) के तहत 2 एम) पीएच = 1 समाधान में और 1600 सर्कल इलेक्ट्रोप्लेटेड Au@CF के साथ। (डी) ओसीपी और विभिन्न पीएच स्थितियों के तहत अधिकतम वर्तमान घनत्व वक्र 1 एम एच 2 ओ2समाधानों में पीएच = 1 से 13 तक और 1600 Au@CF इलेक्ट्रोप्लेटेड सर्कल के साथ। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

ईंधन मुक्त ऊर्जा (kJ/mol) ईंधन की लागत ऊर्जा लागत ($/kW) संदर्भ
हाइड्रोजन -237 6.9 $ / किग्रा 200 20
NaBH4 -1273 55 $ / किग्रा 10.2 21
H2 O2 -120 1.8 $ / टन (थोक) 1.84 22

तालिका 1: ईंधन की प्रतिस्पर्धी लागत और एफसी सिस्टम पर उत्पन्न ऊर्जा की लागत।

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Discussion

कई पैरामीटर समाधान पीएच और एच 2 ओ2एकाग्रता से परे झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन सेल के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। इलेक्ट्रोड सामग्री की पसंद इलेक्ट्रोकैटेलिटिक गतिविधि और स्थिरता को निर्धारित करती है, जबकि इलेक्ट्रोड की सतह क्षेत्र प्रतिक्रिया साइटों को बढ़ा सकती है। ऑपरेटिंग तापमान प्रतिक्रिया कैनेटीक्स को प्रभावित करता है, और अभिकारकों की प्रवाह दर ईंधन और ऑक्सीडेंट की मिश्रण दक्षता निर्धारित कर सकती है। उपयोग किए जाने वाले किसी भी उत्प्रेरक की एकाग्रता प्रतिक्रिया दर के लिए महत्वपूर्ण है, और अशुद्धियां उत्प्रेरक को बाधित या जहर कर सकती हैं। इलेक्ट्रोड स्पेसिंग और फ्लो चैनल ज्यामिति सहित ईंधन सेल का डिजाइन, बड़े पैमाने पर परिवहन और कैनेटीक्स को प्रभावित करता है। इलेक्ट्रोलाइट का प्रकार और एकाग्रता आयनिक चालकता को प्रभावित करती है, और बाहरी सर्किट का प्रतिरोध और डिजाइन वर्तमान और बिजली घनत्व जैसे परिचालन मापदंडों को बदल सकता है। इसके अतिरिक्त, ऑक्सीजन की एकाग्रता, विशिष्ट उत्प्रेरक की उपस्थिति में एच 2 ओ2अपघटन का उपोत्पाद, सेल के प्रदर्शन में भी भूमिका निभा सकता है। इन मापदंडों का अनुकूलन झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइडईंधन कोशिकाओं 7,8,9,10 की दक्षता और स्थायित्व के लिए आवश्यक है।

जांच हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाओं (एच 2 ओ2एफसी) के अनुरूप एक त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण इलेक्ट्रोड के निर्माण पर केंद्रित थी, और समाधान पैरामीटर11,12 के विनियमन के माध्यम से ईंधन सेल के प्रदर्शन में वृद्धि हुई थी। सीएफ पर एयू के सफल इलेक्ट्रोप्लेटिंग की पुष्टि एक्सआरडी विश्लेषण और एसईएम इमेजिंग का उपयोग करके की गई थी। परिणामी त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण Au@CF इलेक्ट्रोड ने इष्टतम समाधान स्थितियों (पीएच 1, एच 2 ओ 2 एकाग्रता 2 एम) के तहत एच 2 ओ2एफसी में मजबूत प्रदर्शन प्रदर्शित किया, और ओसीपी, पावर आउटपुट और बेहतर स्थिरता द्वारा इंगित 1600 इलेक्ट्रोप्लेटिंग चक्रों पर एक इष्टतम प्रदर्शन अनुपात प्राप्त किया गया।

ये परिणाम एच 2 ओ2एफसी के लिए कुशल इलेक्ट्रोड को डिजाइन और विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण निहितार्थ रखते हैं। त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण संरचना H2O2ईंधन के साथ संपर्क क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए तैयार है, संभावित रूप से विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया दर को बढ़ाती है और FCs के बिजली उत्पादन को बढ़ाती है। इसके अतिरिक्त, Au@CF इलेक्ट्रोड के उल्लेखनीय संक्षारण प्रतिरोध से पता चलता है कि चुनी गई सामग्री में H 2 O2 FCs के दीर्घकालिक, स्थिर संचालन की क्षमता है।

कुछ महत्वपूर्ण तत्वों को तीन आयामी छिद्रपूर्ण संरचना इलेक्ट्रोड के साथ एच 2 ओ2एफसी के प्रदर्शन को और बढ़ाने के लिए सावधानीपूर्वक विचार करने की आवश्यकता होती है। इनमें से सबसे महत्वपूर्ण छिद्रपूर्ण इलेक्ट्रोड का निर्माण है। उचित सतह उपचार और छिद्र आकार वितरण का विनियमन अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि ये कारक सीधे इलेक्ट्रोड की इलेक्ट्रोकैटेलिटिक दक्षता को प्रभावित करते हैं। इसके अलावा, एच 2 ओ2एकाग्रता और समाधान पीएच का प्रबंधन महत्वपूर्ण है। एफसी का प्रदर्शन अत्यधिक या अपर्याप्त एच 2 ओ2एकाग्रता के कारण कम हो सकता है, जैसा कि प्रयोगों में देखा गया है, और एक समान प्रवृत्ति देखी गई थी जब समाधान पीएच इष्टतम सीमा से विचलित हो गया था।

इष्टतम परिस्थितियों में एच 2 ओ2एफसी के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, कुछ संशोधनों की आवश्यकता हो सकती है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोड सतह उपचार प्रक्रिया को छिद्र आकार ों की अधिक विविध श्रेणी प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जो प्रतिक्रिया कैनेटीक्स को बढ़ा सकता है। जब अपेक्षित बिजली उत्पादन प्राप्त नहीं होता है, तो विशिष्ट शोध चरणों की आवश्यकता हो सकती है, जिसमें एच 2 ओ2एकाग्रता को ठीक करना, पीएच को समायोजित करना और तापमान और दबाव सहित अन्य मापदंडों पर विचार करना शामिल हो सकता है, जो एफसी के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं।

जबकि नए इलेक्ट्रोड के सफल विकास और एफसी परीक्षणों के आशाजनक परिणाम स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकी में एच 2 ओ 2 के संभावित अनुप्रयोगों के लिए मार्गप्रशस्त करते हैं, एच 2 ओ 2 एफसी व्यावहारिक अनुप्रयोगों की ओर इलेक्ट्रोड के डिजाइन, चयनात्मकता और सतह क्षेत्र को परिष्कृत करने के लिए आगे के शोध की आवश्यकताहै।

झिल्ली रहित एच 2 ओ2एफसी में देखा गया व्यवहार पीएच गतिशीलता और हाइड्रोजन पेरोक्साइड एकाग्रता के बीच जटिल परस्पर क्रिया को रेखांकित करता है। एच 2 ओ2एफसी का प्रदर्शन केवल इसके इलेक्ट्रोड डिजाइन का एक कार्य नहीं है, बल्कि इलेक्ट्रोलाइट की रासायनिक संरचना से गहराई से प्रभावित है। एक इष्टतम पीएच और एच 2 ओ2एकाग्रता पर, विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सुविधाजनक बनाया जाता है, जिससे कुशल इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण और बढ़ी हुई बिजली उत्पादन होता है। पीएच के प्रभाव को प्रोटॉन गतिविधि और सिस्टम की रेडॉक्स क्षमता को संशोधित करने में इसकी भूमिका के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। एक संतुलित पीएच यह सुनिश्चित करता है कि एनोड और कैथोड दोनों पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाएं बिना किसी बाधा के आसानी से आगे बढ़ें। दूसरी ओर, एच 2 ओ2एकाग्रता सीधे अभिकारकों की उपलब्धता को प्रभावित करती है। एक इष्टतम एकाग्रता यह सुनिश्चित करती है कि रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में भाग लेने के लिए एच 2 ओ2अणुओं की स्थिर आपूर्ति हो, जिससे इलेक्ट्रॉनों का लगातार प्रवाह उत्पन्न होता है। हालांकि, इस संतुलन से कोई भी विचलन, या तो एक असंतुलित पीएच या एक उप-मानक एच 2 ओ2एकाग्रता, इलेक्ट्रॉन प्रवाह को बाधित कर सकती है, जिससे प्रदर्शन कम हो सकता है। यह प्रशंसनीय है कि चरम पीएच स्तरों पर, उत्प्रेरक की संरचना या गतिविधि से समझौता किया जा सकता है, या साइड प्रतिक्रियाएं प्रमुख हो सकती हैं। इसी तरह, बहुत कम या बहुत अधिकएच 2 ओ2 सांद्रता या तो प्रतिक्रिया को भूखा कर सकती है या क्रमशः इसकी संतृप्ति का कारण बन सकती है। संक्षेप में, पीएच और पेरोक्साइड एकाग्रता के बीच तालमेल एच 2 ओ2एफसी की दक्षता निर्धारित करने में महत्वपूर्ण है। भविष्य के शोध इन मापदंडों की समझ में गहराई से स्पष्ट कर सकते हैं, संभावित रूप से इन टिकाऊ ऊर्जा उपकरणों से और भी अधिक प्रदर्शन को अनलॉक कर सकते हैं।

महत्वपूर्ण कदम
कार्बन कपड़े पर सोने (एयू) को इलेक्ट्रोप्लेटिंग करने की प्रक्रिया त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड के निर्माण में एक आधारशिला है। सोने की परत की गुणवत्ता, एकरूपता और मोटाई सर्वोपरि है क्योंकि वे सीधे इलेक्ट्रोड की विद्युत रासायनिक विशेषताओं को प्रभावित करते हैं। क्रोनोम्पेरोमेट्री तकनीक, जिसे इस प्रक्रिया के लिए चुना गया था, कपड़े पर सोने के लगातार और यहां तक कि जमाव को सुनिश्चित करने का लाभ प्रदान करती है। हालांकि, इलेक्ट्रोप्लेटिंग चक्रों की संख्या निर्धारित करने में एक नाजुक संतुलन बनाया जाना चाहिए। बहुत सारे चक्र सोने की ओवर-कोटिंग का कारण बनते हैं, जो कार्बन फाइबर कपड़े की अंतर्निहित छिद्रपूर्ण प्रकृति से समझौता कर सकता है, जिससे इसकी दक्षता प्रभावित होती है। एच 2 ओ2समाधान की तैयारी एक और महत्वपूर्ण कदम है जो सटीकता की मांग करता है। पीएचस्तरऔर एच 2 ओ2 समाधान की एकाग्रता एफसी के प्रदर्शन को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। शोध ने इन मापदंडों और एफसी के आउटपुट के बीच एक सीधा संबंध देखा, जो सावधानीपूर्वक समाधान तैयारी के महत्व पर प्रकाश डालता है।

संशोधन और समस्या निवारण
एक त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण इलेक्ट्रोड की शुरूआत इलेक्ट्रोड और एच 2 ओ2ईंधन के बीच बातचीत को बढ़ाने के उद्देश्य से एक महत्वपूर्ण संशोधन था। इस डिजाइन नवाचार के पीछे प्राथमिक उद्देश्य विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया दर में तेजी लाना था, जिससे बिजली और वर्तमान आउटपुट दोनों में वृद्धि हुई। हालांकि, जबकि डिजाइन आशाजनक है, इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रक्रिया को वांछित परिणामों के साथ इलेक्ट्रोड गुणों को संरेखित करने के लिए आगे के शोधन की आवश्यकता हो सकती है। शोध ने एच 2 ओ2समाधान के पीएच और एकाग्रता के लिए एफसी की प्रदर्शन संवेदनशीलता को रेखांकित किया। इष्टतम मापदंडों से कोई भी विचलन एफसी के संचालन में कम बिजली आउटपुट या अस्थिरता का कारण बन सकता है। समस्या निवारण उपाय के रूप में, इन मापदंडों को ठीक करने से प्रदर्शन समस्याओं को ठीक किया जा सकता है।

सीमाओं
प्रगति के बावजूद, वर्तमान एच 2 ओ2एफसी तकनीक की कुछ सीमाएं हैं। जब अन्य ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों के साथ तुलना की जाती है, तोएच 2 ओ2 एफसी कम शक्ति और वर्तमान आउटपुट प्रदर्शित करते हैं। इसका एक प्राथमिक कारण इलेक्ट्रोड की सीमित उत्प्रेरक चयनात्मकता है। एच 2ओ 2 एफसी का प्रदर्शन समाधान के पीएच और एच 2 ओ 2एकाग्रता पर अत्यधिक निर्भर है। इस संवेदनशीलता का अर्थ है कि ऑपरेशन की एक अपेक्षाकृत संकीर्ण खिड़की है जिसके भीतर एफसी इष्टतम परिणाम दे सकता है।

मौजूदा विधियों के संबंध में महत्व
एच 2 ओ 2 एफसी की झिल्ली रहित वास्तुकला पारंपरिक ईंधन कोशिकाओं 1,2,3,4 से काफी भिन्न है। यह डिजाइन विकल्प प्रभावी रूप से कई चुनौतियों को दरकिनार करता है जो पारंपरिक एफसी को पीड़ित करते हैं, जैसे कि निर्माण से जुड़ी उच्च लागत और उनके डिजाइन में निहित जटिलताएं। इस शोध में एक त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड की शुरूआत एक गेम-चेंजर है। उन्नत इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया कैनेटीक्स की सुविधा प्रदान करके, यह इलेक्ट्रोड डिज़ाइन एच 2 ओ2एफसी के लिए उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने का वादा करता है, उन्हें पारंपरिक डिजाइनों से अलग करता है।

तकनीक के भविष्य के अनुप्रयोग
ईंधन कोशिकाओं में उनके आवेदन से परे, त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड में व्यापक क्षमता होती है। उन्हें पोर्टेबल ऊर्जा प्रणालियों में एकीकृत किया जा सकता है या यहां तक कि उच्च सतह क्षेत्र उत्प्रेरक के रूप में भी नियोजित किया जा सकता है। इस तरह की बहुमुखी प्रतिभा विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त कॉम्पैक्ट और कुशल ऊर्जा उपकरणों के विकास को उत्प्रेरित कर सकती है। जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता से अधिक पर्यावरण अनुकूल ऊर्जा विकल्पों को अपनाने के लिए वैश्विक बदलाव में एच 2 ओ2एफसी पर अग्रणी काम महत्वपूर्ण है।

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Disclosures

लेखकों के पास घोषित करने के लिए कोई संघर्ष नहीं है।

Acknowledgments

इस काम को चीन के राष्ट्रीय कुंजी प्रौद्योगिकी अनुसंधान एवं विकास कार्यक्रम (2021YFA0715302 और 2021YFE0191800), चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (61975035 और 52150610489), और शंघाई नगर पालिका के विज्ञान और प्रौद्योगिकी आयोग (22ZR1405000) द्वारा समर्थित किया गया था।

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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References

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झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाएं स्वच्छ ऊर्जा स्रोत विद्युत रासायनिक अपघटन रेडॉक्स गुण टिकाऊ ऊर्जा अनुप्रयोग झिल्ली रहित डिजाइन त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोप्लेटिंग तकनीक एन्हांस्ड इलेक्ट्रोकेमिकल रिएक्शन कैनेटीक्स पावर डेंसिटी इलेक्ट्रोलाइट समाधान के पीएच स्तर पोर्टेबल ऊर्जा प्रणाली उच्च सतह क्षेत्र उत्प्रेरक इलेक्ट्रोड इंजीनियरिंग पर्यावरण के अनुकूल ऊर्जा स्रोत
एक आशाजनक स्वच्छ ऊर्जा स्रोत के रूप में झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाएं
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Zhu, F., Chen, G., Kuzin, A., Gorin, … More

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

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