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Engineering

Pilas de combustible de peróxido de hidrógeno sin membrana como fuente prometedora de energía limpia

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

Este protocolo introduce el diseño y la evaluación de electrodos tridimensionales innovadores para pilas de combustible de peróxido de hidrógeno, utilizando tela de fibra de carbono galvanizada con Au y electrodos de espuma de Ni. Los resultados de la investigación destacan el potencial del peróxido de hidrógeno como un candidato prometedor para las tecnologías energéticas sostenibles.

Abstract

En una investigación en profundidad de pilas de combustible basadas en peróxido de hidrógeno sin membrana (H 2 O 2 FC), se demuestra que el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2), un compuesto neutro en carbono, se descompone electroquímicamente para producirH2O,O2 y energía eléctrica. Las propiedades redox únicas delH2O2lo posicionan como un candidato viable para aplicaciones de energía sostenible. El diseño propuesto sin membranas aborda las limitaciones de las pilas de combustible convencionales, incluidas las complejidades de fabricación y los desafíos de diseño. Se presenta un novedoso electrodo tridimensional, sintetizado mediante técnicas de galvanoplastia. Construido con tela de fibra de carbono galvanizada con Au combinada con espuma de Ni, este electrodo presenta una cinética de reacción electroquímica mejorada, lo que conduce a una mayor densidad de potenciapara H 2 O2 FC. El rendimiento de las pilas de combustible está estrechamente relacionado con los niveles de pH de la solución electrolítica. Más allá de las aplicaciones de FC, estos electrodos tienen potencial en sistemas de energía portátiles y como catalizadores de gran superficie. Este estudio enfatiza la importancia de la ingeniería de electrodos en la optimización del potencial deH2O2como fuente de energía respetuosa con el medio ambiente.

Introduction

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que utiliza combustible y oxidante para convertir los productos químicos en energía eléctrica. Los FC tienen una mayor eficiencia de conversión de energía que los motores de combustión tradicionales, ya que no están sujetos al ciclo1 de Carnot. Al utilizar combustibles como el hidrógeno (H2)2, el borohidruro de hidrógeno (NaBH 4)3 y el amoníaco (NH 3)4, los FCs se han convertido en una fuente de energía prometedora que es ambientalmente limpia y puede lograr un alto rendimiento, ofreciendo un potencial significativo para reducir la dependencia humana de los combustibles fósiles. Sin embargo, la tecnología FC se enfrenta a retos específicos. Un problema frecuente es el papel interno de una membrana de intercambio de protones (PEM) en el sistema FC, que actúa como una protección contra cortocircuitos internos. La integración de una membrana electrolítica contribuye al aumento de los costos de fabricación, la resistencia del circuito interno y la complejidad arquitectónica5. Además, la transformación de FC de un solo compartimento en matrices de varias pilas presenta complicaciones adicionales debido al intrincado proceso de integración de canales de flujo, electrodos y placas para mejorar las salidas de potencia y corriente5.

En las últimas décadas, se han realizado esfuerzos concertados para abordar estos desafíos relacionados con las membranas y racionalizar el sistema de CF. En particular, la aparición de configuraciones de FC sin membrana que utilizan coflujos laminares a números de Reynold bajos ha ofrecido una solución innovadora. En tales configuraciones, la interfaz entre dos flujos funciona como una membrana conductora de protones "virtual"6. Los FC basados en flujo laminar (LFFC) han sido ampliamente estudiados, aprovechando los beneficios de la microfluídica 7,8,9,10. Sin embargo, los LFFC requieren condiciones estrictas, incluido un alto aporte de energía para bombear combustibles laminares/oxidantes, mitigación del cruce de reactivos en corrientes fluídicas y optimización de los parámetros hidrodinámicos.

Recientemente, el H2O2 ha ganado interés como combustible potencial y oxidante debido a su naturaleza neutra en carbono, produciendo agua (H2O) y oxígeno (O2) durante los procesos de electrooxidación y electrorreducción en los electrodos11,12. El H2 O2 puede producirse en masa mediante un proceso de reducción de dos electrones o mediante un proceso de oxidación de dos electrones a partir de agua12. Posteriormente, a diferencia de otros combustibles gaseosos, el combustible líquido H2 O2 puede integrarse en la infraestructura de gasolina existente 5. Además, la reacción dedesproporción de H 2 O 2 permite servir H 2 O 2como combustible y oxidante. La Figura 1A muestra una estructura esquemática de la arquitectura de un FC fácilde H 2 O2. En comparación con los FC tradicionales 2,3,4, el H 2 O 2FC utiliza las ventajas de la "simplicidad" del dispositivo. Yamasaki et al. demostraron los FC de H2O2sin membrana, que desempeñan el papel de combustible y oxidante. El mecanismo descrito de generación de energía eléctrica ha inspirado a las comunidades de investigación a continuar con esta dirección de investigación6. Posteriormente, los mecanismos de electrooxidación y electrorreducción utilizando H2O2como combustible y oxidante han sido representados por las siguientes reacciones13,14

En los medios ácidos:

Ánodo: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0.68 V vs. SHE
Cátodo: H 2 O 2 + 2H+ + 2E- → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. ELLA
Total: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O2

En los medios básicos:

H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Ánodo: HO 2- + OH- → O 2 + H2 O + 2e-; Eb1 = 0,15 V vs. ELLA
Cátodo: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V vs. ELLA
Total: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O2

La Figura 1B ilustra el principio de funcionamiento de los FCH2O2. H 2 O2dona electrones en el ánodo y acepta electrones en el cátodo. La transferencia de electrones entre el ánodo y el cátodo se produce a través de un circuito externo, lo que da como resultado la generación de electricidad. El potencial teórico de circuito abierto (OCP) de H2 O2 FC es de 1,09 V en medios ácidos y de 0,62 V en medios básicos13. Sin embargo, numerosos resultados experimentales han mostrado valores más bajos, llegando hasta 0,75 V en medios ácidos y 0,35 V en medios básicos, en comparación con el OCP teórico. Esta observación puede atribuirse a la presencia de un potencial mixto13. Además, la potencia y la salida de corriente de los FC H 2 O2no pueden competir con los FC 2,3,4 mencionados debido a la selectividad catalítica limitada de los electrodos. Sin embargo, cabe destacar que la tecnología actual de H 2 O 2 FC puede superar a los FC H2, NaBH4 y NH3 en términos de costo total, como se muestra en la Tabla 1. Por lo tanto, la selectividad catalítica mejorada de los electrodos para la electrooxidación y la electrorreducción de H2O2sigue siendo un desafío importante para estos dispositivos.

En este estudio, introducimos un electrodo de estructura porosa tridimensional para mejorar la interacción entre el electrodo y el combustibleH2O2, con el objetivo de aumentar la velocidad de reacción y mejorar la potencia y la salida de corriente. También investigamos el impacto del pH de la solución y la concentración deH2O2en el rendimiento del FC. El par de electrodos utilizado en este estudio comprende un paño de fibra de carbono galvanizado en oro y espuma de níquel. La caracterización estructural se lleva a cabo mediante difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (SEM), con curvas de potencial de circuito abierto (OCP), polarización y potencia de salida que sirven como parámetros principales para las pruebas de FC.

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Protocol

1. Preprocesamiento de materiales

NOTA: Para el ánodo del H 2 O2FC se utiliza espuma de Ni (disponible comercialmente, consulte la Tabla de materiales) con 25 mm x 25 mm x 1,5 mm.

  1. Sumerja la muestra de espuma de Ní en alcohol y agua desionizada (DI), sonique tres veces, 5 min en disolvente y agua. Posteriormente, coloque la espuma de Ní sobre un sustrato de vidrio limpio.
  2. Utilice el paño de fibra de carbono (consulte la Tabla de materiales) como sustrato del cátodo. Corta la tela de carbono en trozos cuadrados de 25 mm x 25 mm con unas tijeras.
  3. Sumerja la muestra de tela de carbón en acetona, alcohol al 75%, agua desionizada y sonique tres veces durante 5 minutos, respectivamente. Luego, enjuague el paño de carbón con agua desionizada para eliminar los residuos de alcohol. Coloque el paño de carbón sobre un sustrato de vidrio.
    NOTA: Con base en los resultados de la investigación discutida15,16, se han elegido Au como cátodo y Ni como ánodo como catalizadores para H 2 O 2 FC. Los metales como Pt, Pd, Ni, Au y Ag tienen una selectividad catalítica específica hacia la reacción de oxidación o reducción deH2O2, lo que los convierte en materiales de electrodo adecuados. El electrodo de fibra Au@carbon ofrece una combinación de actividad electrocatalítica, estabilidad y conductividad mejorada, lo que lo convierte en una opción adecuada para las pilas de combustible de peróxido de hidrógeno sin membrana.

2. Galvanoplastia de Au en un paño de carbono

  1. Prepare los reactivos para galvanoplastia según lo siguiente: ácido cloroáurico (HAuCl4), cloruro de potasio (KCl), ácido clorhídrico (HCl) y agua desionizada (consulte la tabla de materiales).
  2. Prepare soluciones de 80 ml (según el volumen del vaso de precipitados) en un vaso de precipitados limpio con 0,005 M de HAuCl4, 0,1 M de KCl y 0,01 M de HCl. Selle la abertura y revuelva la solución durante 15 min.
  3. Prepare el material de galvanoplastia, la tela de carbono y la solución de galvanoplastia. El proceso de galvanoplastia está a cargo de la Estación Electroquímica (ES) (ver Tabla de Materiales).
    NOTA: Aquí se selecciona el método de tres electrodos para el recubrimiento: tela de carbono como electrodo de trabajo (WE), varilla de grafito como contraelectrodo (CE) y Ag / AgCl (solución saturada de KCl de 1 M) como electrodo de referencia (RE).
  4. Asegúrese de que cada electrodo esté sujetando el objeto correcto. Sumerja los electrodos en la solución de recubrimiento.
  5. Inicie el ES. Ajuste el programa al método de cronoamperometría, como se muestra en la Figura 1C. Asegúrese de que un solo círculo de depósito sea el siguiente: potencial de trabajo de 0,1 V durante 0,1 s y potencial de reposo de 0,2 V durante 0,2 s. Como resultado, el ion AuCl4- se difunde uniformemente alrededor del WE.
    1. Establezca los círculos de galvanoplastia en 800, 1600, 2400 y 3200 círculos. Ejecute el programa.
      NOTA: Por lo general, el programa del método de cronoamperometría en ES no puede alcanzar 1600 ciclos. Alternativamente, el programa Multi-Potential Steps de ES también se puede utilizar para el método de galvanoplastia, las mismas selecciones que el método de cronoamperometría (consulte las instrucciones del fabricante).
  6. Después de la galvanoplastia, cierre el ES, empaque los reactivos y recoja el paño de fibra de carbono galvanizado de Au (Au@CF).
  7. Sumerja el Au@CF en el agua desionizada tres veces para eliminar los residuos de la solución. Colóquelo sobre un sustrato de vidrio para que se seque al aire.
  8. Corte la parte no chapada de la Au@CF causada por las abrazaderas para evitar que parte de CF entre en contacto con las soluciones.
  9. Mida el tamaño de Au@CF (a: longitud, b: ancho) con una regla para calcular las densidades de corriente/potencia.

3. Caracterización del rendimiento de un FC

  1. Preparar soluciones con dos concentraciones, una solución para gradiente de pH (1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), y la otra para gradiente H 2 O2(C HP) (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol, 2 mol).
  2. Caracterice el rendimiento de FC por ES con dos electrodos para OCP y tres electrodos para las curvas de polarización y potencia de salida (pasos 3.3-3.6).
  3. Vuelva a lavar la espuma de Ni-foam y vuelva a Au@CF con agua desionizada dos veces. Colóquelos a un lado para que estén en espera.
  4. Obtener datos de OCP durante la prueba de un FC: El OCP es un parámetro esencial en el rendimiento del FC.
    1. Utilice espuma de Ni-foam como RE y CE, y Au@CF como WE. Añada la solución al vaso de precipitados de prueba. Conecte los electrodos al ES. Encienda el ES.
    2. Establezca el programa en Potencial de circuito abierto - Método de tiempo; Tiempo de ejecución: 400 s, Intervalo de muestreo: 0,1 s, Límite de la emisividad alta: 1 V, Límite de la emisividad baja: -1 V. Ejecute el programa.
      NOTA: A menudo se necesita tiempo para que la salida FC se estabilice. Realice mediciones hasta que se obtengan resultados de FC estables.
    3. Mide los datos. Cierre el programa. Lave el vaso de precipitados y los electrodos. Agregue otras soluciones para pruebas específicas.
  5. Pruebe el rendimiento de salida de FC en función de los datos de OCP. En este caso, solo se requieren los datos originales de la curva de voltamperometría de barrido lineal (LSV). Se pueden calcular más datos de salida a partir de la curva LSV.
    1. Vuelva a lavar la espuma de Ni-foam y Au@CF con agua desionizada (repita dos veces). Utilice espuma de Ní como RE y CE, Au@CF como WE. Añada la solución al vaso de precipitados de prueba.
    2. Ajuste el programa a LSV, OCP como E inicial, 0 V como E final, velocidad de escaneo como 0,01 V/s, correspondiente a las condiciones de circuito abierto (OCP) y cortocircuito (0 V). Ejecute el programa.
    3. Recopile los datos, cierre el programa, lave el vaso de precipitados y los electrodos, y agregue otras soluciones necesarias para pruebas específicas.
  6. Lave los electrodos después de los experimentos y guárdelos en un vaso.
    NOTA: Los datos del experimento se pueden almacenar en formato EXCEL.

4. Caracterización estructural de electrodos

NOTA: La DRX es un método fácil y fiable para analizar muestras. La DRX se toma para detectar elementos de los electrodos, como el Au galvanizado en la tela de carbono. Las pruebas XRD se realizan antes y después de la caracterización de FC para analizar la posible corrosión y degradación de los electrodos. Por ejemplo, las partículas de Au pueden desprenderse de la CF y la corrosión por níquel puede ocurrir en soluciones ácidas5.

  1. Lave los electrodos con agua desionizada (dos veces) y séquelos al aire a temperatura ambiente.
  2. Raspe los metales de los electrodos con unas pinzas. Recoge el polvo metálico y colócalo en un recipiente.
  3. Realice las pruebas XRD17en las muestras de polvo metálico.
  4. Tome SEM para caracterizar la morfología de los electrodos e investigar la infiltración y galvanoplastia entre la tela de oro y fibra de carbono. Además, caracterizar la corrosión del níquel por SEM.

5. Procesamiento de datos y cálculo de potencia de salida

  1. Todos los datos pueden ser analizados en EXCEL. Utilice Excel u Origin para analizar datos y trazar gráficos experimentales.
  2. Utilice los datos de OCP para caracterizar la selectividad de los electrodos, por ejemplo, utilizando una tabla o una figura lineal. Utilice el potencial promedio para las leyendas de tabla. Normalmente, se utiliza una cifra de línea para demostrar la estabilidad del FC.
  3. Utilice los datos de LSV para caracterizar el rendimiento de salida de FC. Hay dos columnas de datos en el archivo EXCEL. Normalmente, un conjunto de datos muestra el potencial (U) y el otro es la corriente registrada (I). Calcule la potencia de salida utilizando la siguiente ecuación: P = U × I
    NOTA: Un valor alto de corriente (I) muestra un rendimiento satisfactorio del FC. Por ejemplo, una gran superficie de electrodo da como resultado corrientes más altas. Un parámetro normalizado referido al rendimiento de los FC es la densidad de corriente (I D), que es igual a la corriente dividida por el área superficial (A) de los electrodos: ID = I/A
  4. Posteriormente, calcule la densidad de potencia (PD) como: P D = U × ID
    NOTA: Es esencial tomar el valor absoluto, ya que los valores preliminares de los datos pueden ser negativos debido a la dirección de la corriente, lo que no es deseable durante las mediciones.
  5. La comparación de parámetros utilizando U, I, D y PD dentro de una sola figura es sencilla. Asigne ID al eje x, U al eje y izquierdo y PD al eje y derecho.

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Representative Results

Resultados de la galvanoplastia
La Figura 2 muestra los resultados de la galvanoplastia. La Figura 2A indica el resultado de la difracción de rayos X. La figura 2B,C son las micrografías. La figura 2D, E son los resultados de SEM. La deposición efectiva de oro (Au) en la tela de fibra de carbono (CF) se confirmó por primera vez utilizando el cambio físico de color en la tela de fibra de carbono de negro a amarillo dorado, como se muestra en la Figura 2B, C. El análisis de difracción de rayos X logró una verificación adicional, que mostró picos claros a 38,2°, 44,4°, 64,6° y 77,6° correspondientes a los planos cristalinos (111), (200), (220) y (311) de Au cúbico centrado en las caras (fcc) (tarjeta PDF n.º 04-0784), confirmando así la galvanoplastia exitosa de Au sobre el sustrato CF.

El contenido de Au en el electrodo de fibra Au@carbon se puede estimar de la siguiente manera: a partir de 1 g de HAuCl4; Se puede utilizar durante aproximadamente 15 sesiones de galvanoplastia. El contenido de oro (mAu) de 1 g de HAuCl4 se calcula mediante la fórmula:

Equation 1

De acuerdo con la estimación, mAu = 0,58 g. Cuando se divide entre las 15 sesiones, cada solución de galvanoplastia contiene el siguiente peso de iones Au3+ :

Equation 2

Sin embargo, es esencial tener en cuenta que no todos los iones Au3+ en la solución se depositan en la tela de fibra de carbono durante el proceso de galvanoplastia. Por lo tanto, cada paño de fibra de carbono contiene menos de 0,039 g de Au.

Las imágenes SEM en la Figura 2D-I indicaron una dispersión uniforme de nanopartículas de Au a través de la tela de fibra de carbono. Sorprendentemente, la estructura porosa tridimensional original del CF permaneció bien conservada después de la galvanoplastia. Esta conservación es crucial, ya que proporciona una gran superficie para la interacción con el combustibleH2O2, mejorando así la velocidad de reacción y la potencia de salida.

La Figura 3 ilustra Au@CFs sometidas a un número variable de ciclos de galvanoplastia. La Figura 3A resalta la progresión de color de la tela de fibra de carbono galvanizada Au. La transición de color del negro original del CF al dorado del Au, que se intensificó de claro a oscuro, sugiere un aumento en el volumen de Au depositado en el CF a medida que aumentaba el número de ciclos de galvanoplastia. Un apoyo adicional para esta conclusión proviene de las imágenes SEM, Figura 3B-E, que revelan la distribución evolutiva del Au a través de la tela de fibra de carbono.

Resultados de rendimiento de H 2 O2FC
Se midió el OCP de los FC para diferentes pH de la solución y concentraciones deH2O2, lo que ayuda a interpretar las propiedades electroquímicas de los FC deH2O2. Se observó la dependencia explícita del OCP tanto en el pH como en laconcentración de H2O2. El OCP más alto se logró con un pH de 1 y una concentración deH2O2 de 0,25 mol. Los hallazgos de OCP relacionados con el pH concuerdan con estudios previos que indican que la desproporción de H2O2y el rendimiento de la FC son altamente dependientes del pH18. Un pH bajo ayuda a estabilizar las soluciones deH2O2, ya que elH2O2puede verse como un ácido débil. Se puede observar claramente la descomposición químicasustancial de H2O2 en soluciones básicas con un pH superior a 11. Además, de acuerdo con la ecuación18 de Nernst, el OCP suele aumentar a medida que aumenta la concentración de electrolitos. Sin embargo, a diferencia de otros FC, el OCP de los FC de H 2 O 2 disminuye a medida que aumenta la concentración de H 2 O 2, especialmente utilizando electrodos de Au19. Se plantea la hipótesis de que esta observación se debe al potencial mixto o a las selectividades limitadas de los electrodos. Una concentración más alta conduce a una mayor tasa de descomposición química, disminuyendo así el OCP. No obstante, se requiere más investigación para investigar esta observación con más detalle.

Las curvas de polarización y potencia de salida se han obtenido utilizando soluciones específicas y condiciones de círculo de galvanoplastia. La potencia máxima de salida se obtuvo en las condiciones óptimas utilizando condiciones específicas del círculo de galvanoplastia (pH 1, concentración de H2O21 mol, círculo de galvanoplastia 3200). Utilizando condiciones óptimas de solución, la potencia máxima de salida se obtuvo en las condiciones óptimas (pH 1,H2O2, concentración 2 mol). Este valor máximo de potencia de salida es significativamente más alto que los obtenidos con las condiciones no óptimas, lo que destaca aún más la importancia de la optimización de los círculos de galvanoplastia y las condiciones de solución para lograr FC de H 2 O2de alto rendimiento.

Los FC deH 2 O2 muestran una estabilidad satisfactoria en condiciones óptimas durante mediciones continuas de 400 s.

El análisis XRD17 de los electrodos de espuma de Ni y Au@CF (antes y después de las pruebas de rendimiento de FC) mostró cambios insignificantes, lo que indica una resistencia satisfactoria a la corrosión de los electrodos en condiciones óptimas de funcionamiento. Siguiendo el protocolo descrito, se ilustran los resultados observados y se muestra el rendimiento mejorado delH 2 O2 FC con el electrodo poroso tridimensional.

Resultado positivo:
Como se muestra en la Figura 4A, se observó un aumento en las densidades de potencia y corriente con un mayor número de ciclos de galvanoplastia. Esta observación se atribuye a que se recubre más Au en el CF con ciclos de galvanoplastia más grandes, lo que proporciona un material más activo para facilitar las reacciones electroquímicas. Sin embargo, la mejora del rendimiento de FC no aumenta proporcionalmente con el número de ciclos de galvanoplastia. Se registró una modesta mejora de aproximadamente el 20% en las densidades de corriente y potencia cuando los ciclos de galvanoplastia se duplicaron de 800 a 1600. Sugirió que la galvanoplastia excesiva puede conducir a la formación de una capa que encapsula el nano Au, disminuyendo así la eficiencia del transporte de masa. Este hallazgo puede proporcionar información valiosa sobre el método de galvanoplastia de fabricación de catalizadores.

La Figura 4B ilustra la durabilidad del potencial de circuito abierto (OCP) del FC de H2O2 a diferentes concentraciones en soluciones con un pH de 1. Los datos indican que el electrodo puede funcionar de forma continua durante al menos 400 s sin una degradación significativa, lo que demuestra la robustez de los electrodos fabricados mediante galvanoplastia.

Curiosamente, el OCP del FC H 2 O2superó el valor teórico tanto en medios ácidos como básicos, lo que sugiere que el electrodo diseñado cataliza eficazmente las reacciones dentro del FC. Se encontró que la potencia y la salida de corriente del FC aumentaban conla concentración de H2O2, alcanzando un pico a un pH específico. Esta observación confirma la eficacia del electrodo y destaca la influencia del pH de la solución y la concentración deH2O2en el rendimiento de la CF.

La Figura 4C presenta las curvas de polarización y densidad de potencia del FC en condiciones óptimas. Se logró una densidad de potencia máxima de aproximadamente 0,8 W m-2 a una concentración de H2O2de 2 M y un pH de 1, lo que demuestra la eficiencia del electrodo poroso tridimensional para facilitar las reacciones del FC y aumentar la potencia de salida.

Resultado negativo:
Por otro lado, se observaron resultados subóptimos a concentraciones excesivamente altas deH2O2. Como se muestra en la Figura 4C, un aumento en la concentración de H2 O2 más allá de un punto óptimo no da como resultado un aumento proporcional correspondiente en el rendimiento, lo que subraya la existencia de una concentración ideal de H2 O2para la operación FC para equilibrar el uso de combustible y la producción de rendimiento. Por ejemplo, la densidad de potencia máxima aumentó en aproximadamente un 44% de 0,56 W m-2 a 0,81 W m-2 cuando la concentración de H 2 O 2 aumentó ocho veces de 0,25 M a 2M.

Además, se encontró que el rendimiento de la FC era sensible al pH de la solución. En condiciones extremas ácidas y básicas (valores de pH por debajo de 3 y por encima de 11), la potencia de salida del FC fue relativamente alta, como se ve en la Figura 4D.

Estos resultados dilucidan cómo diversos parámetros influyen en el rendimiento de losFC H2O2. Con una mayor optimización de la composición química y el desarrollo de electrocatalizadores más selectivos, este dispositivo energético prometedor y respetuoso con el medio ambiente puede encontrar aplicaciones prácticas. La Tabla 1 muestra los costos competitivos de combustible y energía generada en los sistemas FC20,21,22.

Figure 1
Figura 1: Representación esquemática de este estudio. (A) Integración esquemática de un único FC sin membrana. (B) Un principio de funcionamiento del H 2 O2FC. (C) El proceso del método de galvanoplastia con preprocesamiento en tela de fibra de carbono, solución de galvanoplastia de 5 mM HAuCl4, 1 M HCl y programa de galvanoplastia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Caracterización estructural de 1600 círculos galvanizados Au@CF. (A) XRD resultado de Au@CF. (B) Micrografía de CF antes de la galvanoplastia. (C) Micrografía de CF después del depósito de Au. (D,E); (F,G); y (H,I) son los resultados de SEM para CF antes de la galvanoplastia, después de la galvanoplastia y después de las pruebas de rendimiento, respectivamente. Barras de escala: (D), 20 μm; (E,G), 1 μm; (F,H,I), 10 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Resultados de micrografía y SEM de Au@CF bajo diferentes círculos de galvanoplastia. (A) De izquierda a derecha hay 0, 800, 1600, 2400 y 3200 círculos de galvanoplastia Au@CF, respectivamente. (B-E) son imágenes SEM de Au@CF menos de 800, 1600, 2400 y 3200 círculos de galvanoplastia, respectivamente. Barras de escala: (B,D), 10 μm; (C), 2 μm; (E), 3 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Caracterización del rendimiento del FC. (A) Curvas de polarización (izquierda) y potencia de salida (derecha) utilizando diferentes círculos de galvanoplastia (800, 1600, 2400, 3200 círculos) en soluciones de pH = 1, CHP = 1 M. (B) Prueba de OCP bajo diferentes concentraciones de H2 O2 (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H 2 O2) en soluciones de pH =1 y con 1600 círculos galvanizados Au@CF durante 400 s. (C) Curva de polarización (izquierda) y potencia de salida (derecha) bajo diferentes concentraciones de H2 O2 (0,25 M, 0,5 M, 1M, 2M) en soluciones de pH = 1 y con 1600 círculos galvanizados Au@CF. (D) OCP y curvas de densidad de corriente máxima en diferentes condiciones de pH que van desde pH = 1 a 13 en soluciones de 1 M H2 O2 y con círculos galvanizados de 1600 Au@CF. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Combustibles Energía libre (kJ/mol) Costo de combustible Costo de energía ($ / kW) Referencia
Hidrógeno -237 6.9 $/kg 200 20
NaBH4 -1273 55 $/kg 10.2 21
H 2O2 -120 1.8 $/tonelada (a granel) 1.84 22

Tabla 1: Costos competitivos de los combustibles y el costo de la energía generada en los sistemas FC.

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Discussion

Varios parámetros influyen significativamente en el rendimiento de una pila de combustible de peróxido de hidrógeno sin membrana más allá del pH de la solución y la concentración deH2O2. La elección del material del electrodo dicta la actividad electrocatalítica y la estabilidad, mientras que el área de superficie del electrodo puede mejorar los sitios de reacción. La temperatura de funcionamiento afecta la cinética de la reacción, y el caudal de los reactivos puede determinar la eficiencia de mezcla del combustible y el oxidante. La concentración de cualquier catalizador utilizado es fundamental para las velocidades de reacción, y las impurezas pueden inhibir o envenenar el catalizador. El diseño de la pila de combustible, incluido el espaciado de los electrodos y la geometría del canal de flujo, influye en el transporte de masa y la cinética. El tipo y la concentración del electrolito influyen en la conductividad iónica, y la resistencia y el diseño del circuito externo pueden alterar parámetros operativos como la corriente y la densidad de potencia. Además, la concentración de oxígeno, un subproducto de la descomposición delH2O2en presencia de catalizadores específicos, también puede desempeñar un papel en el rendimiento de la célula. La optimización de estos parámetros es esencial para la eficiencia y durabilidad de las pilas de combustible de peróxido de hidrógeno sin membrana 7,8,9,10.

La investigación se concentró en la fabricación de un electrodo poroso tridimensional adaptado a las pilas de combustible de peróxido de hidrógeno(H 2 O2 FCs), y en la mejora del rendimiento de la pila de combustible a través de la regulación de los parámetros de la solución11,12. El éxito de la galvanoplastia de Au sobre CF se confirmó mediante análisis XRD e imágenes SEM. El electrodo de Au@CF poroso tridimensional resultante exhibió un rendimiento robusto en H 2 O 2 FC en condiciones óptimas de solución (pH 1, concentración de H 2 O22 M), y se logró una relación de rendimiento óptima a 1600 ciclos de galvanoplastia, como lo indica OCP, potencia de salida y estabilidad superior.

Estos resultados tienen implicaciones fundamentales para el diseño y desarrollo de electrodos eficientes para H 2O2 FC. La estructura porosa tridimensional está preparada para maximizar el área de contacto con el combustible H2 O2, lo que podría mejorar la velocidad de reacción electroquímica y aumentar la potencia de salida de los FC. Además, la notable resistencia a la corrosión del electrodo de Au@CF sugiere que los materiales elegidos tienen el potencial de un funcionamiento estable a largo plazo de los FC deH2 O2.

Ciertos elementos críticos requieren una consideración meticulosa para mejorar aún más el rendimiento de losFC de H2O2 con un electrodo de estructura porosa tridimensional. El más importante de ellos es la fabricación del electrodo poroso. El tratamiento adecuado de la superficie y la regulación de la distribución del tamaño de los poros son de suma importancia, ya que estos factores afectan directamente a la eficiencia electrocatalítica del electrodo. Además, el manejo de la concentración deH2O2 y el pH de la solución es crítico. El rendimiento de la FC puede verse disminuido debido a una concentración excesiva o insuficientede H2O2, como se observó en los experimentos, y se observó una tendencia similar cuando el pH de la solución se desvió del rango óptimo.

Para mejorar el rendimiento del H 2 O2FC en condiciones óptimas, es posible que se justifiquen ciertas modificaciones. Por ejemplo, el proceso de tratamiento de la superficie del electrodo se puede optimizar para lograr una gama más diversa de tamaños de poro, lo que puede mejorar la cinética de reacción. Cuando no se alcanza la potencia de salida esperada, es posible que se necesiten pasos de investigación específicos, que pueden implicar el ajuste fino de la concentración de H2O2, el ajuste del pH y la contemplación de otros parámetros, como la temperatura y la presión, que pueden afectar el rendimiento de los FC.

Si bien el desarrollo exitoso del nuevo electrodo y los resultados prometedores de las pruebas de FC allanan el camino para las posibles aplicacionesde H 2 O 2 en la tecnología de energía limpia, se justifica una mayor investigación para refinar el diseño, la selectividad y el área de superficie del electrodo hacia aplicaciones prácticas de H 2 O 2FC.

El comportamiento observado en los FC deH2O2sin membrana subraya la intrincada interacción entre la dinámica del pH y la concentración de peróxido de hidrógeno. El rendimiento de los FCde H2O2 no es simplemente una función del diseño de su electrodo, sino que está profundamente influenciado por la composición química del electrolito. A una concentración óptima de pH yH2O2, se facilitan las reacciones electroquímicas, lo que conduce a una transferencia eficiente de electrones y una mayor potencia de salida. La influencia del pH se puede atribuir a su papel en la modulación de la actividad de protones y el potencial redox del sistema. Un pH equilibrado garantiza que las reacciones electroquímicas tanto en el ánodo como en el cátodo se desarrollen sin problemas y sin ningún obstáculo13,14. Por otro lado, la concentración de H2O2impacta directamente en la disponibilidad de reactivos. Una concentración óptima asegura que haya un suministro constante de moléculas deH2O2 para participar en las reacciones redox, generando así un flujo constante de electrones. Sin embargo, cualquier desviación de este equilibrio, ya sea un pH desequilibrado o una concentración subóptima deH2O2, puede interrumpir el flujo de electrones, lo que conduce a una disminución del rendimiento. Es plausible que a niveles extremos de pH, la estructura o la actividad del catalizador se vean comprometidas, o que las reacciones secundarias se vuelvan predominantes. Del mismo modo, concentraciones de H2O2demasiado bajas o demasiado altas pueden privar a la reacción o provocar su saturación, respectivamente. En esencia, la sinergia entre el pH y la concentración de peróxido es fundamental para determinar la eficiencia de los FC deH2O2. La investigación futura podría aclarar más profundamente la comprensión de estos parámetros, lo que podría desbloquear un rendimiento aún mayor de estos dispositivos de energía sostenible.

Pasos críticos
El proceso de galvanoplastia de oro (Au) sobre tela de carbono es una piedra angular en la fabricación de los electrodos tridimensionales. La calidad, la uniformidad y el grosor de la capa de oro son primordiales, ya que afectan directamente a los atributos electroquímicos del electrodo. La técnica de cronoamperometría, que se eligió para este proceso, ofrece la ventaja de garantizar una deposición consistente y uniforme de oro en la tela. Sin embargo, se debe lograr un delicado equilibrio para determinar el número de ciclos de galvanoplastia. Demasiados ciclos conducen a un recubrimiento excesivo de oro, lo que podría comprometer la naturaleza porosa inherente de la tela de fibra de carbono, lo que afecta su eficiencia. La preparación de la solución H2O2es otro paso crítico que exige precisión. El nivel de pH y la concentración de lasolución de H2O2 son fundamentales para determinar el rendimiento del FC. La investigación observó una correlación directa entre estos parámetros y el resultado del CF, lo que pone de manifiesto la importancia de una preparación meticulosa de la solución.

Modificaciones y solución de problemas
La introducción de un electrodo poroso tridimensional fue una modificación significativa destinada a mejorar la interacción entre el electrodo y el combustibleH2O2. El objetivo principal detrás de esta innovación de diseño era acelerar la velocidad de reacción electroquímica, aumentando así tanto la potencia como la corriente de salida. Sin embargo, aunque el diseño es prometedor, el proceso de galvanoplastia podría requerir más refinamientos para garantizar que las propiedades de los electrodos se alineen con los resultados deseados. La investigación subrayó la sensibilidad del rendimiento del FC al pH y la concentración de la solución de H2O2. Cualquier desviación de los parámetros óptimos puede provocar una disminución de la potencia de salida o incluso inestabilidad en el funcionamiento del FC. Como medida de solución de problemas, el ajuste fino de estos parámetros puede rectificar los problemas de rendimiento.

Limitaciones
A pesar de los avances, la tecnología actual de H 2 O2FC tiene ciertas limitaciones. Cuando se yuxtaponen con otras tecnologías de pilas de combustible, los H 2 O2FC tienden a exhibir salidas de potencia y corriente más bajas. Una de las principales razones de esto es la limitada selectividad catalítica de los electrodos. El rendimiento del H 2 O 2 FC depende en gran medida del pH y la concentración de H 2 O2 de la solución. Esta sensibilidad implica que hay una ventana de operación relativamente estrecha dentro de la cual el FC puede ofrecer resultados óptimos.

Importancia con respecto a los métodos existentes
La arquitectura sin membrana del H 2 O 2 FC difiere significativamente de las pilas de combustible convencionales 1,2,3,4. Esta elección de diseño elude eficazmente varios desafíos que afectan a los FC tradicionales, como los altos costos asociados con la fabricación y las complejidades inherentes a su diseño. La introducción de un electrodo tridimensional en esta investigación cambia las reglas del juego. Al facilitar una cinética de reacción electroquímica mejorada, este diseño de electrodo promete lograr densidades de potencia más altas para losFC de H2O2, diferenciándolos de los diseños convencionales.

Futuras aplicaciones de la técnica
Más allá de su aplicación en pilas de combustible, los electrodos tridimensionales tienen un potencial más amplio. Pueden integrarse en sistemas de energía portátiles o incluso emplearse como catalizadores de gran superficie. Esta versatilidad puede catalizar la evolución de dispositivos energéticos compactos y eficientes adecuados para diversas aplicaciones. El trabajo pionero sobre los FC deH2O2es crucial en el cambio global de la dependencia de los combustibles fósiles a la adopción de alternativas energéticas más respetuosas con el medio ambiente.

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Disclosures

Los autores no tienen conflictos que declarar.

Acknowledgments

Este trabajo contó con el apoyo del Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de Tecnologías Clave de China (2021YFA0715302 y 2021YFE0191800), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (61975035 y 52150610489) y la Comisión de Ciencia y Tecnología de la Municipalidad de Shanghái (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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References

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