Summary
Denne protokollen introduserer design og evaluering av innovative tredimensjonale elektroder for hydrogenperoksidbrenselceller, ved bruk av Au-galvanisert karbonfiberduk og Ni-skumelektroder. Forskningsresultatene fremhever hydrogenperoksidets potensial som en lovende kandidat for bærekraftige energiteknologier.
Abstract
I en grundig undersøkelse av membranløse hydrogenperoksidbaserte brenselceller (H2O2 FC), er hydrogenperoksid (H2O2), en karbonnøytral forbindelse, vist å gjennomgå elektrokjemisk dekomponering for å produsere H 2 O, O 2og elektrisk energi. De unike redoksegenskapene til H 2 O2posisjonerer den som en levedyktig kandidat for bærekraftige energiapplikasjoner. Den foreslåtte membranløse designen adresserer begrensningene til konvensjonelle brenselceller, inkludert fabrikasjonskompleksitet og designutfordringer. En ny tredimensjonal elektrode, syntetisert via galvaniseringsteknikker, blir introdusert. Denne elektroden er konstruert av Au-galvanisert karbonfiberduk kombinert med Ni-skum, og viser forbedret elektrokjemisk reaksjonskinetikk, noe som fører til økt effekttetthet for H 2 O2FC. Ytelsen til brenselceller er intrikat knyttet til pH-nivåene i elektrolyttløsningen. Utover FC-applikasjoner holder slike elektroder potensial i bærbare energisystemer og som katalysatorer med høyt overflateareal. Denne studien understreker betydningen av elektrodeteknikk for å optimalisere potensialet til H 2 O2som en miljøvennlig energikilde.
Introduction
En brenselcelle er en elektrokjemisk enhet som bruker drivstoff og oksidant til å konvertere kjemikalier til elektrisk energi. FC har høyere energikonverteringseffektivitet enn tradisjonelle forbrenningsmotorer siden de ikke er bundet av Carnot Cycle1. Ved å bruke drivstoff som hydrogen (H 2)2, borohydrid-hydrogen (NaBH 4) 3 og ammoniakk (NH 3)4, har FC blitt en lovende energikilde som er miljømessig ren og kan oppnå høy ytelse, og gir betydelig potensial for å redusere menneskelig avhengighet av fossile brensler. FC-teknologien står imidlertid overfor spesifikke utfordringer. Et utbredt problem er den interne rollen til en protonutvekslingsmembran (PEM) i FC-systemet, som fungerer som en beskyttelse mot interne kortslutninger. Integreringen av en elektrolysemembran bidrar til økte fabrikasjonskostnader, intern kretsmotstand og arkitektonisk kompleksitet5. Videre introduserer transformasjon av enkeltroms-FC-er til multi-stack-arrayer ytterligere komplikasjoner på grunn av den intrikate prosessen med å integrere strømningskanaler, elektroder og plater for å forbedre effekt- og strømutganger5.
I løpet av de siste tiårene har det blitt gjort en felles innsats for å løse disse membranrelaterte utfordringene og strømlinjeforme FC-systemet. Spesielt har fremveksten av membranløse FC-konfigurasjoner ved bruk av laminære co-strømmer ved lave Reynold-tall tilbudt en innovativ løsning. I slike oppsett fungerer grensesnittet mellom to strømmer som en "virtuell" protonledende membran6. Laminære strømningsbaserte FCs (LFFC) har blitt mye studert, og utnytter fordelene med mikrofluidikk 7,8,9,10. LFFC krever imidlertid strenge forhold, inkludert høy energiinngang for pumping av laminære drivstoff / oksidanter, reduksjon av reaktantovergang i fluidiske strømmer og optimalisering av hydrodynamiske parametere.
Nylig har H 2 O 2 fått interesse som et potensielt drivstoff og oksidant på grunn av sin karbonnøytrale natur, noe som gir vann (H 2 O) og oksygen (O 2) under elektrooksidasjons- og elektroreduksjonsprosesser ved elektroder11,12. H 2O2 kan masseproduseres ved hjelp av en to-elektronreduksjonsprosess eller ved en to-elektronoksydasjonsprosess fra vann12. Deretter, i motsetning til andre gassformige brensler, kan flytende H 2 O2drivstoff integreres i eksisterende bensininfrastruktur 5. Dessuten gjør H 2 O2 disproporsjoneringsreaksjonen det mulig å tjene H 2 O 2som både drivstoff og oksidant. Figur 1A viser en skjematisk struktur av en facile H 2 O2FCs arkitektur. I forhold til tradisjonelle FCs 2,3,4, utnytter H 2 O 2FC fordelene med enhetens "enkelhet". Yamasaki et al. demonstrerte membranløse H 2O2 FC, og spilte rollen som både drivstoff og oksidant. Den beskrevne mekanismen for elektrisk energiproduksjon har inspirert forskningsmiljøer til å fortsette denne forskningsretningen6. Deretter har elektrooksidasjons- og elektroreduksjonsmekanismer ved bruk av H 2 O2som drivstoff og oksidant blitt representert ved følgende reaksjoner13,14
I det sure mediet:
anode: H 2 O 2 → O 2 +2H + + 2e-; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Katode: H 2 O 2 + 2H + + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. HUN
Totalt: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
I de grunnleggende mediene:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Anode: HO 2- + OH- → O 2 + H 2O + 2e-; Eb1 = 0,15 V vs. HUN
Katode: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V vs. HUN
Totalt: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Figur 1B illustrerer arbeidsprinsippet til H 2 O 2 FC. H 2 O2donerer elektroner ved anoden og aksepterer elektroner ved katoden. Elektronoverføring mellom anoden og katoden skjer gjennom en ekstern krets, noe som resulterer i generering av elektrisitet. Det teoretiske åpne kretspotensialet (OCP) for H2 O2 FC er 1, 09 V i sure medier og 0, 62 V i basiske medier13. Imidlertid har mange eksperimentelle resultater vist lavere verdier, og når opp til 0, 75 V i sure medier og 0, 35 V i basiske medier, sammenlignet med den teoretiske OCP. Denne observasjonen kan tilskrives tilstedeværelsen av et blandet potensial13. I tillegg kan effekten og strømutgangen til H 2O 2 FC ikke konkurrere med de nevnte FCs2,3,4 på grunn av den begrensede katalytiske selektiviteten til elektrodene. Likevel er det bemerkelsesverdig at dagens H2 O 2 FC-teknologi kan overgå H2, NaBH4 og NH3 FC når det gjelder totale kostnader, som vist i tabell 1. Dermed er den forbedrede katalytiske selektiviteten til elektroder for H2O2-elektrooksidasjon og elektroreduksjon fortsatt en betydelig utfordring for disse enhetene.
I denne studien introduserer vi en tredimensjonal porøs strukturelektrode for å forbedre samspillet mellom elektroden og H2O2-drivstoffet, med sikte på å øke reaksjonshastigheten og forbedre effekten og strømutgangen. Vi undersøker også virkningen av løsningens pH og H 2 O2konsentrasjon på FCs ytelse. Elektrodeparet som ble brukt i denne studien består av en gullgalvanisert karbonfiberduk og nikkelskum. Strukturell karakterisering utføres ved hjelp av røntgendiffraksjon (XRD) og skanningselektronmikroskopi (SEM), med Open Circuit Potential (OCP), polarisasjon og effektutgangskurver som de primære parametrene for FC-testing.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forbehandling av materialer
MERK: Ni-skum (kommersielt tilgjengelig, se materialfortegnelse) med 25 mm x 25 mm x 1,5 mm brukes til H 2 O2 FCs anode.
- Fordyp Ni-skumprøven i alkohol og avionisert (DI) vann, sonicate i tre ganger, 5 min i løsningsmiddel og vann. Deretter plasserer du Ni-skummet på et rent glassunderlag.
- Bruk karbonfiberduken (se materialtabell) som katodesubstrat. Klipp karbonduken i 25 mm x 25 mm firkantede stykker med saks.
- Fordyp karbonklutprøven i aceton, 75% alkohol, DI-vann og sonikere tre ganger i henholdsvis 5 minutter. Skyll deretter karbonkluten med DI-vann for å fjerne rester av alkohol. Legg karbonkluten på et glassunderlag.
MERK: Basert på de diskuterte forskningsresultatene15,16, Au som katoden og Ni som anoden er valgt som katalysatorer for H 2 O 2 FC. Metaller som Pt, Pd, Ni, Au og Ag har spesifikk katalytisk selektivitet mot H 2 O 2oksidasjons- eller reduksjonsreaksjon, noe som gjør dem egnet elektrodematerialer. Den Au@carbon fiberelektroden tilbyr en kombinasjon av elektrokatalytisk aktivitet, stabilitet og forbedret ledningsevne, noe som gjør den til et egnet valg for membranløse hydrogenperoksidbrenselceller.
2. Galvanisering av Au på en karbonklut
- Forbered reagenser for galvanisering som gitt ved følgende: kloroaursyre (HAuCl4), kaliumklorid (KCl), saltsyre (HCl) og DI-vann (se materialtabell).
- Forbered 80 ml løsninger (basert på volumet av begeret) i et rent beger med 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl og 0,01 M HCl. Forsegle åpningen og rør løsningen i 15 minutter.
- Forbered galvaniseringsmaterialet, karbonduken og pletteringsløsningen. Galvaniseringsprosessen drives av elektrokjemisk stasjon (ES) (se materialfortegnelse).
MERK: Tre elektrodemetoder er valgt her for plating: karbonduk som arbeidselektrode (WE), grafittstang som tellerelektrode (CE) og Ag / AgCl (mettet 1 M KCl-løsning) som referanseelektrode (RE). - Forsikre deg om at hver elektrode klemmer riktig gjenstand. Dyp elektroder ned i pletteringsløsningen.
- Start the ES. Sett programmet til Chronoamperometry Method, som vist i figur 1C. Sørg for at en enkelt innskuddssirkel er som følger: arbeidspotensial 0,1 V i 0,1 s og hvilepotensial 0,2 V i 0,2 s. Som et resultat diffunderer AuCl 4-ionet jevnt rundt WE.
- Sett galvaniseringssirkler ved 800, 1600, 2400 og 3200 sirkler. Kjør programmet.
MERK: Vanligvis kan ikke kronoamperometrimetodeprogrammet i ES oppnå 1600 sykluser. Alternativt kan Multi-Potential Steps-programmet til ES også brukes til galvaniseringsmetoden, de samme valgene som Chronoamperometry-metoden (se produsentens instruksjoner).
- Sett galvaniseringssirkler ved 800, 1600, 2400 og 3200 sirkler. Kjør programmet.
- Etter galvanisering, lukk ES, pakk reagensene og samle Au galvanisert karbonfiberduk (Au@CF).
- Senk Au@CF ned i DI-vannet tre ganger for å fjerne løsningsrestene. Plasser den på et glassunderlag for tørking i luften.
- Klipp den ubelagte delen av Au@CF forårsaket av klemmene for å forhindre at en del av CF kommer i kontakt med løsninger.
- Mål størrelsen på Au@CF (a: lengde, b: bredde) med en linjal for beregning av strøm-/effekttettheter.
3. Ytelseskarakterisering av en FC
- Forbered løsninger med to konsentrasjoner, en løsning for pH-gradient (1 mol H2O2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), mens den andre forH2O2(C HP) gradient (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol, 2 mol).
- Karakterisere FC-ytelsen ved ES med to elektroder for OCP og tre elektroder for polarisasjons- og effektutgangskurver (trinn 3.3-3.6).
- Vask Ni-skum på nytt og Au@CF igjen med DI-vann to ganger. Plasser dem til side for ventemodus.
- Innhent OCP-data under testing av en FC: OCP er en viktig parameter i FC-ytelsen.
- Bruk Ni-skum som både RE og CE, og Au@CF som WE. Legg løsningen til testbegeret. Koble elektroder til ES. Slå på ES.
- Sett programmet til Open Circuit Potential - Time Method; Kjøretid: 400 s, Prøveintervall: 0.1 s, Høy E-grense: 1 V, Lav E-grense: -1 V. Kjør programmet.
MERK: Det tar ofte tid før FC-utgangen stabiliserer seg. Kjør målinger til stabile FC-resultater er oppnådd. - Mål dataene. Lukk programmet. Vask begeret og elektrodene. Legg til andre løsninger for bestemte tester.
- Test utgangsytelsen til FC basert på OCP-data. Her kreves bare originale LSV-kurvedata ( Linear Sweep Voltammetry ). Ytterligere utgangsdata kan beregnes fra LSV-kurven.
- Vask Ni-skum og Au@CF med DI-vann (gjenta to ganger). Bruk Ni-skum som RE og CE, Au@CF som WE. Legg løsningen til testbegeret.
- Sett programmet til LSV, OCP som Initial E, 0 V som Final E, skannehastighet som 0,01 V / s, tilsvarende betingelsene for åpen krets (OCP) og kortslutning (0 V). Kjør programmet.
- Samle inn dataene, lukk programmet, vask begeret og elektrodene, og legg til andre nødvendige løsninger for spesifikke tester.
- Vask elektrodene etter eksperimenter og oppbevar dem på et glass.
MERK: Eksperimentdata kan lagres i EXCEL-format.
4. Strukturell karakterisering av elektroder
MERK: XRD er en enkel og pålitelig metode for å analysere prøver. XRD er tatt for å oppdage elementer av elektrodene, for eksempel galvanisert Au på karbonduken. XRD-tester utføres før og etter FC-karakterisering for å analysere potensiell korrosjon og nedbrytning av elektroder. For eksempel kan Au-partikler løsne fra CF, og nikkelkorrosjon kan forekomme i sure løsninger5.
- Vask elektrodene med DI-vann (to ganger) og tørk dem i luften ved romtemperatur.
- Skrap av metaller på elektrodene med pinsett. Samle metallpulveret og legg det i en beholder.
- Utfør XRD-tester17på metallpulverprøvene.
- Ta SEM for å karakterisere morfologien til elektrodene og undersøke infiltrasjon og galvanisering mellom gull- og karbonfiberduken. I tillegg karakteriserer korrosjonen av nikkel ved SEM.
5. Databehandling og beregning av utgangseffekt
- Alle data kan analyseres i EXCEL. Bruk Excel eller Origin til å analysere data og tegne eksperimentelle grafer.
- Bruk OCP-dataene til å karakterisere selektiviteten til elektroder, for eksempel ved hjelp av en tabell eller en linjefigur. Bruk gjennomsnittlig potensial for tabellforklaringer. Vanligvis brukes en linjefigur for å demonstrere stabiliteten til FC.
- Bruk LSV-dataene til å karakterisere utgangsytelsen til FC. Det er to kolonner med data i EXCEL-filen. Vanligvis viser ett datasett potensial (U), og det andre er registrert gjeldende (I). Beregn utgangseffekten ved hjelp av følgende ligning: P = U × I
MERK: En høy strømverdi (I) viser en tilfredsstillende ytelse for FC. For eksempel resulterer et stort elektrodeoverflateareal i høyere strømmer. En normalisert parameter referert til FCs ytelse er strømtetthet (I D), som er lik strømmen dividert med overflaten (A) av elektrodene: ID = I / A - Deretter beregner du effekttettheten (PD) som: P D = U ×I D
MERK: Det er viktig å ta absoluttverdien, da foreløpige dataverdier kan være negative på grunn av strømretningen, noe som ikke er ønskelig under målinger. - Det er enkelt å sammenligne parametere med U, I, D og PD i en enkelt figur. Tilordne ID til x-aksen, U til venstre y-akse og PD til høyre y-akse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Galvanisering resultater
Figur 2 viser galvaniseringsresultatene. Figur 2A viser røntgendiffraksjonsresultatet. Figur 2B,C er mikrografene. Figur 2D,E er SEM-resultater. Den effektive avsetningen av gull (Au) på karbonfiberduken (CF) ble først bekreftet ved å bruke den fysiske fargeendringen i karbonfiberduken fra svart til gylden gul, som vist i figur 2B, C. Ytterligere verifisering oppnås ved røntgendiffraksjonsanalysen, som viste klare topper ved 38,2°, 44,4°, 64,6° og 77,6° tilsvarende (111), (200), (220) og (311) krystallplan av ansiktssentrert kubisk (fcc) Au (PDF-kort nr. 04-0784), og bekreftet dermed vellykket galvanisering av Au på CF-substratet.
Au-innholdet i den Au@carbon fiberelektroden kan estimeres som følger: starter med 1 g HAuCl4; Den kan brukes til omtrent 15 galvaniseringsøkter. Gullinnholdet (mAu) fra 1 g HAuCl4 beregnes ved hjelp av formelen:
Accodring til estimering mAu = 0,58 g. Når den er fordelt på de 15 øktene, inneholder hver galvaniseringsløsning følgende vekt av Au3+ ioner:
Det er imidlertid viktig å merke seg at ikke alle Au3+-ioner i løsningen avsettes på karbonfiberduken under galvaniseringsprosessen. Derfor inneholder hver karbonfiberklut mindre enn 0,039 g Au.
SEM-bilder i figur 2D-I indikerte en jevn spredning av Au nanopartikler over karbonfiberduken. Bemerkelsesverdig nok forble den opprinnelige tredimensjonale porøse strukturen til CF godt bevart etter galvanisering. Denne bevaringen er avgjørende, da den gir et stort overflateareal for interaksjon med H2O2-drivstoffet, og forbedrer dermed reaksjonshastigheten og effekten.
Figur 3 illustrerer Au@CFs utsatt for varierende antall galvaniseringssykluser. Figur 3A fremhever fargeprogresjonen til Au-galvanisert karbonfiberduk. Fargeovergangen fra den opprinnelige svarte av CF til gullet i Au, som intensiverte fra lys til mørke, antyder en økning i volumet av Au avsatt på CF ettersom antall galvaniseringssykluser økte. Ytterligere støtte for denne konklusjonen kommer fra SEM-bildene, figur 3B-E, som avslører den utviklende fordelingen av Au over karbonfiberduken.
H 2O2 FC ytelsesresultater
OCP av FCene ble målt for forskjellige løsnings pH- og H2O2-konsentrasjoner, noe som bidrar til å tolke de elektrokjemiske egenskapene tilH2O2FC. OCPs eksplisitte avhengighet av både pH og H 2 O2konsentrasjon ble observert. Den høyeste OCP ble oppnådd ved en pH på 1 og enH2O2-konsentrasjonpå 0,25 mol. OCP-funnene relatert til pH stemmer overens med tidligere studier som indikerer at H2 O2 disproporsjonering og FC ytelse er svært pH-avhengig18. En lav pH bidrar til å stabilisere H 2O 2 løsninger, da H 2 O 2kan ses som en svak syre. Den betydelige kjemiske dekomponeringenav H 2 O2 i basiske løsninger med pH over 11 kan tydelig observeres. Dessuten, ifølge Nernst ligning18, øker OCP vanligvis når konsentrasjonen av elektrolytter øker. Imidlertid, i motsetning til andre FCer, reduseres OCP av H 2 O 2 FC når H 2 O 2konsentrasjonen øker,spesielt ved bruk av Au-elektroder19. Det er en hypotese at denne observasjonen skyldes blandet potensial eller begrenset elektrode selektivitet. En høyere konsentrasjon fører til en høyere kjemisk nedbrytningshastighet, og reduserer dermed OCP. Likevel er det nødvendig med ytterligere forskning for å undersøke denne observasjonen nærmere.
Polarisasjons- og utgangskurver er oppnådd ved hjelp av spesifikke løsninger og galvaniseringssirkelforhold. Maksimal effekt ble oppnådd ved optimale forhold ved bruk av spesifikke galvaniseringssirkelforhold (pH 1, H 2 O2konsentrasjon 1 mol, galvaniseringssirkel 3200). Ved bruk av optimale løsningsforhold ble maksimal effekt oppnådd ved optimale forhold (pH 1, H 2 O 2konsentrasjon2 mol). Denne maksimale utgangsverdien er betydelig høyere enn de som er oppnådd med de ikke-optimale forholdene, noe som ytterligere fremhever viktigheten av optimalisering av galvaniseringssirkler og løsningsforhold for å oppnå høy ytelse H 2 O2FC.
H 2 O2FC utviser tilfredsstillende stabilitet ved bruk av optimale forhold under kontinuerlige 400 s målinger.
XRD-analyse17 av Ni-foam- og Au@CF-elektrodene (før og etter FC-ytelsestester) viste ubetydelige endringer, noe som indikerer tilfredsstillende korrosjonsbestandighet for elektrodene ved bruk av optimale driftsforhold. Etter den skisserte protokollen illustreres observerte resultater og viser den forbedrede ytelsen til H2 O2 FC med den tredimensjonale porøse elektroden.
Positivt resultat:
Som vist i figur 4A ble det observert en økning i effekt- og strømtetthet med et høyere antall galvaniseringssykluser. Denne observasjonen tilskrives at mer Au blir belagt på CF med større galvaniseringssykluser, noe som gir et mer aktivt materiale for å lette elektrokjemiske reaksjoner. FC-ytelsesforbedringen øker imidlertid ikke proporsjonalt med antall galvaniseringssykluser. En beskjeden forbedring på ca. 20% i strøm- og effekttettheter ble registrert da galvaniseringssyklusene doblet seg fra 800 til 1600. Det foreslo at overdreven galvanisering kan føre til dannelse av et lag som innkapsler nano Au, og dermed redusere massetransporteffektiviteten. Dette funnet kan gi verdifull innsikt i galvaniseringsmetoden for katalysatorfabrikasjon.
Figur 4B illustrerer holdbarheten av potensialet for åpen krets (OCP) av H 2 O2FC ved forskjellige konsentrasjoner i løsninger med en pH på 1. Dataene indikerer at elektroden kan operere kontinuerlig i minst 400 sekunder uten betydelig nedbrytning, noe som viser robustheten til elektroder fremstilt gjennom galvanisering.
Interessant nok overgikk OCP av H 2 O2FC den teoretiske verdien i både sure og basiske medier, noe som tyder på at den designede elektroden effektivt katalyserer reaksjoner i FC. Kraften og strømutgangen til FC ble funnet å øke med H 2 O2-konsentrasjonen, og nådde en topp ved en bestemt pH. Denne observasjonen bekrefter elektrodens effektivitet og fremhever påvirkningen av løsningens pH ogH2O2-konsentrasjonpå FC-ytelsen.
Figur 4C viser FCs polarisasjons- og effekttetthetskurver under optimale forhold. En toppeffekttetthet på ca. 0,8 W m-2 ble oppnådd ved en H2O2-konsentrasjon på 2M og en pH på 1, noe som demonstrerer effektiviteten til den tredimensjonale porøse elektroden for å lette FCs reaksjoner og øke effekten.
Negativt resultat:
På den annen side ble suboptimale resultater observert ved for høye H2O2-konsentrasjoner. Som vist i figur 4C resulterer en økning i H 2O2-konsentrasjonen utover et optimalt punkt ikke i tilsvarende proporsjonal økning i ytelse, noe som understreker eksistensen av en ideell H2O2-konsentrasjonfor FC-drift for å balansere drivstofforbruk og ytelse. For eksempel økte den maksimale effekttettheten med ca. 44 % fra 0,56 W m-2 til 0,81 W m-2 når konsentrasjonen H 2 O 2 økte åtte ganger fra 0,25 M til 2M.
Videre ble FC-ytelsen funnet å være følsom for løsningens pH. Under ekstreme sure og basiske forhold (pH-verdier under 3 og over 11) var utgangseffekten til FC relativt høy, som vist i figur 4D.
Disse resultatene belyser hvordan ulike parametere påvirker ytelsen til H 2 O2FC. Med ytterligere optimalisering av kjemisk sammensetning og utvikling av mer selektive elektrokatalysatorer, kan denne lovende og miljøvennlige energienheten finne praktiske anvendelser. Tabell 1 viser konkurransedyktige drivstoffkostnader og energi generert på FC-systemene20,21,22.
Figur 1: Skjematisk fremstilling av denne studien. (A) Skjematisk integrasjon av en enkelt membranløs FC. (B) Et arbeidsprinsipp for H 2 O2FC. (C) Prosessen med galvaniseringsmetode med forbehandling på karbonfiberduk, galvaniseringsløsning på 5 mM HAuCl4, 1 M HCl og galvaniseringsprogram. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Strukturell karakterisering av 1600 sirkler galvanisert Au@CF. (A) XRD resultat av Au@CF. (B) Mikrografi av CF før galvanisering. (C) Mikrografi av CF etter Au-avsetning. (D,E); (F,G); og (H,I) er SEM-resultater for CF henholdsvis før galvanisering, etter galvanisering og etter ytelsestester. Skala barer: (D), 20 μm; (E,G), 1 μm; (F,H,I), 10 μm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Mikrograf- og SEM-resultater av Au@CF under forskjellige galvaniseringssirkler. (A) Fra venstre til høyre er henholdsvis 0, 800, 1600, 2400 og 3200 galvaniseringssirkler Au@CF. (B-E) er SEM-bilder av Au@CF under henholdsvis 800, 1600, 2400 og 3200 galvaniseringssirkler. Skala barer: (B,D), 10 μm; (C), 2 μm; (E), 3 μm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Ytelseskarakterisering av FC. (A) Polarisasjonskurver (venstre) og utgangseffekt (høyre) ved bruk av forskjellige galvaniseringssirkler (800, 1600, 2400, 3200 sirkler) i pH = 1, CHP = 1 M-løsninger. (B) OCP-test under forskjellige H 2 O 2 konsentrasjoner (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) i pH = 1 løsninger og med 1600 sirkler galvanisert Au@CF i 400 s. (C) Polarisasjon (venstre) og utgangseffekt (høyre) kurve under forskjellige H 2 O 2konsentrasjoner (0,25 M, 0,5 M, 1M, 2M) i pH = 1 løsninger og med 1600 sirkler galvanisert Au@CF. (D) OCP og maksimale strømtetthetskurver under forskjellige pH-forhold fra pH = 1 til 13 i 1 MH2 O2 løsninger og med 1600 Au@CF galvaniserte sirkler. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Brensel | Fri energi (kJ/mol) | Drivstoffkostnad | Energikostnad ($/kW) | Referanse |
| Hydrogen | -237 | 6,9 $/kg | 200 | 20 |
| NaBH4 | -1273 | 55 $/kg | 10.2 | 21 |
| H 2O2 | -120 | 1,8 $/tonn (bulk) | 1.84 | 22 |
Tabell 1: Konkurransedyktige kostnader for drivstoff og energikostnadene som genereres på FC-systemene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Flere parametere påvirker signifikant ytelsen til en membranløs hydrogenperoksidbrenselcelle utover løsningens pH- ogH2O2-konsentrasjon. Valget av elektrodemateriale dikterer elektrokatalytisk aktivitet og stabilitet, mens elektrodens overflateareal kan forbedre reaksjonsstedene. Driftstemperatur påvirker reaksjonskinetikken, og strømningshastigheten til reaktanter kan bestemme blandingseffektiviteten til drivstoff og oksidant. Konsentrasjonen av en hvilken som helst katalysator som brukes er avgjørende for reaksjonshastigheter, og urenheter kan hemme eller forgifte katalysatoren. Brenselcellens design, inkludert elektrodeavstand og strømningskanalgeometri, påvirker massetransport og kinetikk. Typen og konsentrasjonen av elektrolytten påvirker ionisk ledningsevne, og den eksterne kretsens motstand og design kan endre driftsparametere som strøm og effekttetthet. I tillegg kan konsentrasjonen av oksygen, et biprodukt av H2O2-dekomponering i nærvær av spesifikke katalysatorer, også spille en rolle i cellens ytelse. Optimalisering av disse parametrene er avgjørende for effektiviteten og holdbarheten til membranløse hydrogenperoksidbrenselceller 7,8,9,10.
Undersøkelsen var konsentrert om fremstilling av en tredimensjonal porøs elektrode skreddersydd for hydrogenperoksidbrenselceller (H 2 O2FC), og forbedring av brenselcellens ytelse gjennom regulering av løsningsparametere11,12. Den vellykkede galvaniseringen av Au på CF ble bekreftet ved hjelp av XRD-analyse og SEM-avbildning. Den resulterende tredimensjonale porøse Au@CF-elektroden viste robust ytelse i H 2 O 2FC under optimale løsningsforhold (pH 1, H 2 O 2 konsentrasjon 2 M), oget optimalt ytelsesforhold ble oppnådd ved 1600 galvaniseringssykluser, som indikert av OCP, effekt og overlegen stabilitet.
Disse resultatene har viktige implikasjoner for design og utvikling av effektive elektroder for H 2O2 FC. Den tredimensjonale porøse strukturen er klar til å maksimere kontaktområdet med H 2O2-drivstoffet, potensielt øke den elektrokjemiske reaksjonshastigheten og øke effekten til FC-ene. I tillegg antyder den bemerkelsesverdige korrosjonsmotstanden til den Au@CF elektroden at de valgte materialene har potensial for langsiktig, stabil drift av H 2 O2FC.
Visse kritiske elementer krever grundig vurdering for ytterligere å forbedre ytelsen til H 2 O2 FC med entredimensjonal porøs strukturelektrode. Fremst blant disse er fabrikasjonen av den porøse elektroden. Riktig overflatebehandling og regulering av porestørrelsesfordelingen er av største betydning, da disse faktorene direkte påvirker elektrokatalytisk effektivitet av elektroden. Videre er forvaltningen av H 2 O2konsentrasjon og løsning pH kritisk. Ytelsen til FC kan reduseres på grunn av overdreven eller utilstrekkeligH2O2-konsentrasjon, som observert i forsøkene, og en lignende trend ble observert når løsningens pH avvek fra det optimale området.
For å forbedre ytelsen til H 2 O2FC under optimale forhold, kan visse modifikasjoner være berettiget. For eksempel kan elektrodeoverflatebehandlingsprosessen optimaliseres for å oppnå et mer variert utvalg av porestørrelser, noe som kan forbedre reaksjonskinetikken. Når den forventede effekten ikke oppnås, kan det være nødvendig med spesifikke forskningstrinn, som kan innebære finjustering av H2O2-konsentrasjonen, justering av pH og vurdering av andre parametere, inkludert temperatur og trykk, som kan påvirke ytelsen til FC.
Mens den vellykkede utviklingen av den nye elektroden og de lovende resultatene fra FC-testene baner vei for potensielle anvendelser av H 2 O 2i ren energiteknologi, er videre forskning berettiget til å avgrense elektrodens design, selektivitet og overflateareal mot H 2 O 2FC praktiske applikasjoner.
Den observerte oppførselen i membranløs H2 O2 FC understreker det intrikate samspillet mellom pH-dynamikk og hydrogenperoksidkonsentrasjon. Ytelsen til H 2 O2FC er ikke bare en funksjon av elektrodedesignet, men er dypt påvirket av elektrolyttens kjemiske sammensetning. Ved en optimal pH- ogH2O2-konsentrasjonblir de elektrokjemiske reaksjonene lettere, noe som fører til effektiv elektronoverføring og forbedret effekt. Påvirkningen av pH kan tilskrives sin rolle i modulering av protonaktiviteten og redokspotensialet i systemet. En balansert pH sikrer at de elektrokjemiske reaksjonene ved både anoden og katoden går jevnt uten hindring13,14. På den annen side påvirkerH2O2-konsentrasjonendirekte tilgjengeligheten av reaktanter. En optimal konsentrasjon sikrer at det er en jevn tilførsel avH2O2molekylerfor å delta i redoksreaksjonene, og derved generere en konsistent strøm av elektroner. Imidlertid kan ethvert avvik fra denne likevekten, enten en ubalansert pH eller en suboptimalH2O2-konsentrasjon, forstyrre elektronstrømmen, noe som fører til redusert ytelse. Det er sannsynlig at ved ekstreme pH-nivåer kan katalysatorens struktur eller aktivitet bli kompromittert, eller sidereaksjoner kan bli dominerende. På samme måte kan for lave eller for høye H2O2-konsentrasjoner enten sulte reaksjonen eller føre til dens metning, henholdsvis. I hovedsak er synergien mellom pH og peroksidkonsentrasjon avgjørende for å bestemme effektiviteten til H 2 O2FC. Fremtidig forskning kan klargjøre dypere forståelse av disse parametrene, potensielt låse opp enda større ytelse fra disse bærekraftige energienhetene.
Kritiske skritt
Prosessen med galvanisering av gull (Au) på karbonduk er en hjørnestein i fremstillingen av de tredimensjonale elektrodene. Kvaliteten, ensartetheten og tykkelsen på gulllaget er avgjørende, da de direkte påvirker elektrodens elektrokjemiske egenskaper. Kronoamperometriteknikken, som ble valgt for denne prosessen, gir fordelen av å sikre en jevn og jevn avsetning av gull på kluten. Imidlertid må en delikat balanse slås ved å bestemme antall galvaniseringssykluser. For mange sykluser fører til et overbelegg av gull, noe som kan kompromittere den iboende porøse naturen til karbonfiberduken, og dermed påvirke effektiviteten. Fremstillingen av H 2 O2-løsningener et annet kritisk trinn som krever presisjon. pH-nivået og konsentrasjonen av H 2 O2-løsningener medvirkende til å bestemme FCs ytelse. Forskningen observerte en direkte sammenheng mellom disse parametrene og FCs utgang, og fremhevet viktigheten av grundig løsningsforberedelse.
Endringer og feilsøking
Innføringen av en tredimensjonal porøs elektrode var en betydelig modifikasjon for å forbedre samspillet mellom elektroden og H2O2-drivstoffet. Hovedmålet bak denne designinnovasjonen var å akselerere den elektrokjemiske reaksjonshastigheten, og dermed øke både effekt og strømutgang. Imidlertid, mens designet er lovende, kan galvaniseringsprosessen kreve ytterligere forbedringer for å sikre at elektrodeegenskapene stemmer overens med de ønskede resultatene. Forskningen understreket FCs ytelsesfølsomhet for H 2 O2-løsningenspH og konsentrasjon. Eventuelle avvik fra de optimale parametrene kan føre til redusert effekt eller til og med ustabilitet i FCs drift. Som et feilsøkingstiltak kan finjustering av disse parametrene rette opp ytelsesproblemer.
Begrensninger
Til tross for fremskrittene har den nåværende H 2O2 FC-teknologien visse begrensninger. Når de sammenstilles med andre brenselcelleteknologier, har H 2 O2FC en tendens til å vise lavere effekt og nåværende utgang. En hovedårsak til dette er den begrensede katalytiske selektiviteten til elektrodene. H 2 O2FCs ytelse er sterkt avhengig av løsningens pH- ogH2O2-konsentrasjon. Denne følsomheten innebærer at det er et relativt smalt operasjonsvindu der FC kan levere optimale resultater.
Betydning i forhold til eksisterende metoder
H 2 O 2 FCs membranløse arkitektur skiller seg vesentlig fra konvensjonelle brenselceller 1,2,3,4. Dette designvalget omgår effektivt flere utfordringer som plager tradisjonelle FC-er, for eksempel de høye kostnadene forbundet med fabrikasjon og kompleksiteten som ligger i designet. Innføringen av en tredimensjonal elektrode i denne forskningen er en spillveksler. Ved å legge til rette for forbedret elektrokjemisk reaksjonskinetikk, holder denne elektrodedesignen løftet om å oppnå høyere effekttettheter for H 2 O2FC, og skiller dem fra konvensjonelle design.
Fremtidige anvendelser av teknikken
Utover deres anvendelse i brenselceller, har de tredimensjonale elektrodene et bredere potensial. De kan integreres i bærbare energisystemer eller til og med brukes som katalysatorer med høyt overflateareal. Slik allsidighet kan katalysere utviklingen av kompakte og effektive energienheter egnet for ulike applikasjoner. Det banebrytende arbeidet med H 2 O2FC er avgjørende i det globale skiftet fra avhengighet av fossile brensler til vedtak av mer miljøvennlige energialternativer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfattere har ingen konflikter å erklære.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Key Technologies R&D Program of China (2021YFA0715302 og 2021YFE0191800), National Natural Science Foundation of China (61975035 og 52150610489), og Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (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).
