无膜双氧水燃料电池作为一种有前途的清洁能源
Summary
该协议介绍了利用Au电镀碳纤维布和泡沫镍电极的用于过氧化氢燃料电池的创新三维电极的设计和评估。研究结果强调了过氧化氢作为可持续能源技术有前途的候选者的潜力。
Abstract
在对无膜过氧化氢燃料电池 （H 2 O 2 FC） 的深入研究中，过氧化氢 （H 2 O 2） 是一种碳中性化合物，经电化学分解产生 H 2 O、O 2和电能。H 2 O2独特的氧化还原特性使其成为可持续能源应用的可行候选者。所提出的无膜设计解决了传统燃料电池的局限性，包括制造复杂性和设计挑战。介绍了一种通过电镀技术合成的新型三维电极。该电极由镀金碳纤维布和泡沫镍制成，具有增强的电化学反应动力学，可提高 H 2 O2FC 的功率密度。燃料电池的性能与电解质溶液的pH值有着千丝万缕的联系。除了燃料电池应用外，这种电极在便携式能源系统中也具有潜力，并可作为高表面积催化剂。本研究强调了电极工程在优化H 2 O2作为环境友好能源的潜力方面的重要性。
Introduction
燃料电池是一种利用燃料和氧化剂将化学物质转化为电能的电化学装置。FC 比传统内燃机具有更高的能量转换效率，因为它们不受卡诺循环1 的约束。通过利用氢气 （H 2）2、硼氢化氢 （NaBH 4）3 和氨 （NH 3）4 等燃料，燃料电池已成为一种很有前途的能源，它既环保又能实现高性能，为减少人类对化石燃料的依赖提供了巨大的潜力。然而，燃料电池技术面临着特定的挑战。一个普遍存在的问题是质子交换膜 （PEM） 在 FC 系统中的内部作用，它起到了防止内部短路的作用。电解膜的集成会增加制造成本、内部电路电阻和架构复杂性5.此外，由于集成流道、电极和板以增强功率和电流输出的复杂过程，将单室 FC 转换为多堆栈阵列会带来额外的复杂性5。
在过去的几十年里，我们齐心协力地应对这些与膜相关的挑战并简化 FC 系统。值得注意的是，使用低雷诺数层流共流的无膜 FC 配置的出现提供了一种创新的解决方案。在这种设置中，两个流动之间的界面充当“虚拟”质子传导膜6。基于层流的 FC （LFFC） 已被广泛研究，利用了微流体的优势 7,8,9,10。然而，LFFC需要严格的条件，包括泵送层流燃料/氧化剂的高能量输入，减少流体流中的反应物交叉，以及优化流体动力学参数。
最近，H 2 O 2 因其碳中性和性质而作为潜在的燃料和氧化剂引起了人们的兴趣，在电极11,12 的电氧化和电还原过程中产生水 （H 2 O） 和氧气 （O2）。H2 O2 可以使用双电子还原过程或通过水的双电子氧化过程12 批量生产。随后，与其他气体燃料相比，液态H 2 O2燃料可以集成到现有的汽油基础设施5中。此外，H 2 O 2 歧化反应使 H 2 O2既可以作为燃料又可以作为氧化剂。图 1A 显示了简单的 H 2 O2 FC 架构的示意图。与传统的 FC2、3、4 相比，H 2 O2FC 利用了设备“简单”的优点。Yamasaki等人证明了无膜H 2 O2FCs，它既起着燃料的作用，又起着氧化剂的作用。所描述的电能产生机理启发了研究界继续这一研究方向6.随后，使用 H 2 O2 作为燃料和氧化剂的电氧化和电还原机理由以下反应表示13,14
在酸性介质中：
阳极：H2 O 2 → O2 + 2H+ + 2e–;Ea1 = 0.68 V vs. SHE
阴极：H 2 O 2 + 2H+ + 2e– → 2H2 O;Ea2 = 1.77 V 对比她
总计： 2 H 2O 2 → 2H 2 O + O2
在基本媒体中：
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
阳极：HO2– + OH- → O 2 + H2O + 2e–;Eb1 = 0.15 V 对比她
阴极：HO2– + H2O + 2e- → 3OH–;Eb2 = 0.87 V 对比她
总计： 2 H 2O 2 → 2H 2 O + O2
图 1B 说明了 H 2 O 2 FC 的工作原理，H 2 O 2在阳极提供电子，在阴极接受电子。阳极和阴极之间的电子转移通过外部电路发生，从而产生电力。H 2 O2FC 的理论开路电位 （OCP） 在酸性介质中为 1.09 V，在碱性介质中为 0.62 V13。然而，许多实验结果显示，与理论OCP相比，该值较低，在酸性介质中达到0.75 V，在碱性介质中达到0.35 V。这一观察结果可归因于混合电位的存在13.此外，由于电极的催化选择性有限，H 2 O 2 FC 的功率和电流输出无法与上述 FCs2,3,4 竞争。 然而，值得注意的是，目前的H 2 O 2 FC技术在总成本方面可以优于H2、NaBH4和NH3 FC，如表1所示。因此，增强电极对H 2 O2电氧化和电还原的催化选择性仍然是这些器件面临的重大挑战。
在这项研究中，我们引入了一种三维多孔结构电极来改善电极与H 2 O2燃料之间的相互作用，旨在提高反应速率并增强功率和电流输出。我们还研究了溶液 pH 值和 H 2 O2浓度对 FC 性能的影响。本研究中使用的电极对包括镀金碳纤维布和泡沫镍。使用 X 射线衍射 （XRD） 和扫描电子显微镜 （SEM） 进行结构表征，开路电位 （OCP）、偏振和功率输出曲线作为 FC 测试的主要参数。
Protocol
Representative Results
Discussion
除了溶液 pH 值和 H 2 O2浓度之外，有几个参数会显着影响无膜过氧化氢燃料电池的性能。电极材料的选择决定了电催化的活性和稳定性，而电极的表面积可以增强反应位点。工作温度影响反应动力学，反应物的流速可以决定燃料和氧化剂的混合效率。所用催化剂的浓度对反应速率至关重要，杂质会抑制或毒害催化剂。燃料电池的设计，包括电极间距和流道几何形状，会影响传质和?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了国家关键技术研发计划（2021YFA0715302和2021YFE0191800）、国家自然科学基金（61975035和52150610489）和上海市科学技术委员会（22ZR1405000）的支持。
Materials
| Acetone | Merck & Co. Inc. (MRK) | 67-64-1 | solution for pre-process of materials |
| Alcohol | Merck & Co. Inc. (MRK) | 64-17-5 | solution for pre-process of materials |
| Carbon fiber cloth | Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd. | W0S1011 | substrate material for electroplating method |
| Electrochemistry station | Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd. | CHI600E | device for electroplating method and fuel cell performance characterization |
| Gold chloride trihydrate | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | G141105-1g | main solute for electroplating method |
| Hydrochloric acid | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011018 | adjustment of solution pH |
| Hydrogen peroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011208 | fuel of cell |
| Nickel foam | Willtek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China) | KSH-2011 | anode material for hydrogen peroxide fuel cell |
| Potassium chloride | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | 10016308 | additives for electroplating method |
| Scanning electron microscope | Carl Zeiss AG | EVO 10 | structural characterization for sample |
| Sodium hydroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10019718 | adjustment of solution pH |
| X-Ray differaction machine | Bruker Corporation | D8 Advance | structural characterization for sample |
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