Membraanloze waterstofperoxide-brandstofcellen als veelbelovende schone energiebron
Summary
Dit protocol introduceert het ontwerp en de evaluatie van innovatieve driedimensionale elektroden voor waterstofperoxide-brandstofcellen, waarbij gebruik wordt gemaakt van Au-gegalvaniseerde koolstofvezeldoek en Ni-schuimelektroden. De onderzoeksresultaten benadrukken het potentieel van waterstofperoxide als een veelbelovende kandidaat voor duurzame energietechnologieën.
Abstract
In een diepgaand onderzoek van membraanloze brandstofcellen op basis van waterstofperoxide (H 2 O 2 FC’s) is aangetoond dat waterstofperoxide (H 2 O 2), een koolstofneutrale verbinding, elektrochemische ontleding ondergaat om H 2 O, O 2en elektrische energie te produceren. De unieke redoxeigenschappen van H 2O2 maken het een levensvatbare kandidaat voor duurzame energietoepassingen. Het voorgestelde membraanloze ontwerp pakt de beperkingen van conventionele brandstofcellen aan, waaronder de complexiteit van de fabricage en ontwerpuitdagingen. Een nieuwe driedimensionale elektrode, gesynthetiseerd via galvaniseertechnieken, wordt geïntroduceerd. Deze elektrode is gemaakt van Au-gegalvaniseerd koolstofvezeldoek in combinatie met Ni-schuim en vertoont een verbeterde elektrochemische reactiekinetiek, wat leidt tot een verhoogde vermogensdichtheid voor H 2 O2FC’s. De prestaties van brandstofcellen zijn nauw verbonden met de pH-waarde van de elektrolytoplossing. Naast FC-toepassingen hebben dergelijke elektroden potentieel in draagbare energiesystemen en als katalysatoren met een groot oppervlak. Deze studie benadrukt het belang van elektrodetechniek bij het optimaliseren van het potentieel van H2 O2 als milieuvriendelijke energiebron.
Introduction
Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat brandstof en oxidatiemiddel gebruikt om chemicaliën om te zetten in elektrische energie. FC’s hebben een hogere energieomzettingsefficiëntie dan traditionele verbrandingsmotoren, omdat ze niet gebonden zijn aan de Carnot-cyclus1. Door gebruik te maken van brandstoffen zoals waterstof (H2)2, boorhydride-waterstof (NaBH 4)3 en ammoniak (NH 3)4, zijn FC’s een veelbelovende energiebron geworden die milieuvriendelijk is en hoge prestaties kan leveren, wat een aanzienlijk potentieel biedt om de menselijke afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. FC-technologie staat echter voor specifieke uitdagingen. Een veel voorkomend probleem is de interne rol van een protonuitwisselingsmembraan (PEM) in het FC-systeem, dat fungeert als beveiliging tegen interne kortsluiting. De integratie van een elektrolytisch membraan draagt bij aan hogere fabricagekosten, weerstand van het interne circuit en architecturale complexiteit5. Bovendien brengt het transformeren van FC’s met één compartiment in multi-stack arrays extra complicaties met zich mee als gevolg van het ingewikkelde proces van het integreren van stroomkanalen, elektroden en platen om het vermogen en de stroomuitgangen te verbeteren5.
In de afgelopen decennia zijn er gezamenlijke inspanningen geleverd om deze membraangerelateerde uitdagingen aan te pakken en het FC-systeem te stroomlijnen. Met name de opkomst van membraanloze FC-configuraties met laminaire co-flows bij lage Reynold-getallen heeft een innovatieve oplossing geboden. In dergelijke opstellingen functioneert de interface tussen twee stromen als een “virtueel” protongeleidend membraan6. Laminaire flow-based FC’s (LFFC’s) zijn uitgebreid bestudeerd, gebruikmakend van de voordelen van microfluïdica 7,8,9,10. LFFC’s vereisen echter strenge voorwaarden, waaronder een hoge energie-input voor het verpompen van laminaire brandstoffen/oxidanten, beperking van reactant-crossover in vloeistofstromen en optimalisatie van hydrodynamische parameters.
Onlangs heeft H 2O 2 aan belangstelling gewonnen als potentiële brandstof en oxidant vanwege zijn koolstofneutrale karakter, dat water (H 2 O) en zuurstof (O 2) oplevert tijdens elektro-oxidatie- en elektroreductieprocessen bij elektroden11,12. H2 O2 kan in massa worden geproduceerd met behulp van een reductieproces met twee elektronen of door een oxidatieproces met twee elektronen uit water12. Vervolgens kan vloeibareH2O2-brandstof, in tegenstelling tot andere gasvormige brandstoffen, worden geïntegreerd in bestaande benzine-infrastructuur 5. Bovendien maakt deH2O 2 disproportionele reactie het mogelijk om H 2 O 2zowel als brandstof als oxidatiemiddel te dienen. Figuur 1A toont een schematische structuur van de architectuur van een facile H 2 O2FC. In vergelijking met traditionele FC’s 2,3,4 maakt de H 2 O 2FC gebruik van de voordelen van de “eenvoud” van het apparaat. Yamasaki et al. toonden membraanloze H2 O2 FC’s aan, die zowel de rol van brandstof als oxidatiemiddel spelen. Het beschreven mechanisme van de opwekking van elektrische energie heeft onderzoeksgemeenschappen geïnspireerd om deze onderzoeksrichting voort te zetten6. Vervolgens zijn elektro-oxidatie- en elektroreductiemechanismen met behulp vanH 2 O2 als brandstof en oxidant weergegeven door de volgende reacties13,14
In de zure media:
Anode: H2 O 2 → O2 + 2H+ + 2e–; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Kathode: H 2 O 2 + 2H+ + 2e– → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. ZIJ
Totaal: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
In de basismedia:
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
Anode: HO 2- + OH- → O 2 + H 2O + 2e–; Eb1 = 0,15 V vs. ZIJ
Kathode: HO 2– + H2O + 2e- → 3OH–; Eb2 = 0,87 V vs. ZIJ
Totaal: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Figuur 1B illustreert het werkingsprincipe van H 2 O 2 FC’s. H 2 O2 doneert elektronen aan de anode en accepteert elektronen aan de kathode. Elektronenoverdracht tussen de anode en kathode vindt plaats via een extern circuit, wat resulteert in het opwekken van elektriciteit. De theoretische open circuit potentiaal (OCP)van H 2 O2 FC is 1,09 V in zure media en 0,62 V in basische media13. Talrijke experimentele resultaten hebben echter lagere waarden aangetoond, tot 0,75 V in zure media en 0,35 V in basische media, vergeleken met de theoretische OCP. Deze waarneming kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een gemengd potentieel13. Bovendien kunnen het vermogen en de stroomuitgang van H 2 O 2 FC’s niet concurreren met de genoemde FC’s2,3,4 vanwege de beperkte katalytische selectiviteit van de elektroden. Desalniettemin is het opmerkelijk dat de huidige H 2 O 2 FC-technologie beter kan presteren dan H2, NaBH4 en NH3 FC’s in termen van totale kosten, zoals weergegeven in tabel 1. De verbeterde katalytische selectiviteit van elektroden voor H2O2-elektro-oxidatieen -elektroreductie blijft dus een belangrijke uitdaging voor deze apparaten.
In deze studie introduceren we een driedimensionale elektrode met een poreuze structuur om de interactie tussen de elektrode enH2O2-brandstof te verbeteren, met als doel de reactiesnelheid te verhogen en het vermogen en de stroomoutput te verbeteren. We onderzoeken ook de impact van de pH van de oplossing en de H2O2-concentratieop de prestaties van de FC. Het elektrodepaar dat in dit onderzoek wordt gebruikt, bestaat uit een vergulde koolstofvezeldoek en nikkelschuim. Structurele karakterisering wordt uitgevoerd met behulp van röntgendiffractie (XRD) en scanning-elektronenmicroscopie (SEM), waarbij Open Circuit Potential (OCP), polarisatie en vermogensuitgangscurven dienen als de primaire parameters voor FC-testen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschillende parameters hebben een aanzienlijke invloed op de prestaties van een membraanloze waterstofperoxide-brandstofcel boven de pH van de oplossing en de H2O2-concentratie. De keuze van het elektrodemateriaal bepaalt de elektrokatalytische activiteit en stabiliteit, terwijl het oppervlak van de elektrode de reactieplaatsen kan verbeteren. De bedrijfstemperatuur beïnvloedt de reactiekinetiek en het debiet van reactanten kan de mengefficiëntie van brandstof en oxidatiemiddel bepalen. De conce…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het National Key Technologies R&D-programma van China (2021YFA0715302 en 2021YFE0191800), de National Natural Science Foundation of China (61975035 en 52150610489) en de Science and Technology Commission van de gemeente Shanghai (22ZR1405000).
Materials
| Acetone | Merck & Co. Inc. (MRK) | 67-64-1 | solution for pre-process of materials |
| Alcohol | Merck & Co. Inc. (MRK) | 64-17-5 | solution for pre-process of materials |
| Carbon fiber cloth | Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd. | W0S1011 | substrate material for electroplating method |
| Electrochemistry station | Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd. | CHI600E | device for electroplating method and fuel cell performance characterization |
| Gold chloride trihydrate | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | G141105-1g | main solute for electroplating method |
| Hydrochloric acid | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011018 | adjustment of solution pH |
| Hydrogen peroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011208 | fuel of cell |
| Nickel foam | Willtek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China) | KSH-2011 | anode material for hydrogen peroxide fuel cell |
| Potassium chloride | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | 10016308 | additives for electroplating method |
| Scanning electron microscope | Carl Zeiss AG | EVO 10 | structural characterization for sample |
| Sodium hydroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10019718 | adjustment of solution pH |
| X-Ray differaction machine | Bruker Corporation | D8 Advance | structural characterization for sample |
References
- Sazali, N., Wan Salleh, W. N., Jamaludin, A. S., Mhd Razali, M. N. New perspectives on fuel cell technology: A brief review. Membranes. 10 (5), 99 (2020).
- Singla, M. K., Nijhawan, P., Oberoi, A. S. Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review. Environmental Science and Pollution Research International. 28 (13), 15607-15626 (2021).
- Cao, D., Chen, D., Lan, J., Wang, G. An alkaline direct NaBH4-H2O2 fuel cell with high power density. Journal of Power Sources. 190 (2), 346-350 (2009).
- Lan, R., Tao, S. Ammonia as a suitable fuel for fuel cells. Frontiers in Energy Research. 2, 2014 (2014).
- Alias, M. S., Kamarudin, S. K., Zainoodin, A. M., Masdar, M. S. Active direct methanol fuel cell: An overview. International Journal of Hydrogen Energy. 45 (38), 19620-19641 (2020).
- Ferrigno, R., Stroock, A. D., Clark, T. D., Mayer, M., Whitesides, G. M. Membraneless vanadium redox fuel cell using laminar flow. Journal of the American Chemical Society. 124 (44), 12930-12931 (2002).
- Yan, X., Xu, A., Zeng, L., Gao, P., Zhao, T. A paper-based microfluidic fuel cell with hydrogen peroxide as fuel and oxidant. Energy Technology. 6 (1), 140-143 (2018).
- Ha, S. M., Ahn, Y. Laminar flow-based micro fuel cell utilizing grooved electrode surface. Journal of Power Sources. 267, 731-738 (2014).
- Liu, Z., et al. A woven thread-based microfluidic fuel cell with graphite rod electrodes. International Journal of Hydrogen Energy. 43 (49), 22467-22473 (2018).
- Peng, J., Zhang, Z. Y., Niu, H. T. A Three-dimensional two-phase model for a membraneless fuel cell using decomposition of hydrogen peroxide with y-shaped microchannel. Fuel Cells. 12 (6), 1009-1018 (2012).
- Wu, K. H., et al. Highly selective hydrogen peroxide electrosynthesis on carbon: in situ interface engineering with surfactants. Chem. 6 (6), 1443-1458 (2020).
- Yang, Y., et al. A facile microfluidic hydrogen peroxide fuel cell with high performance: electrode interface and power-generation properties. ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5328-5335 (2018).
- An, L., Zhao, T., Yan, X., Zhou, X., Tan, P. The dual role of hydrogen peroxide in fuel cells. Science Bulletin. 60 (1), 55-64 (2015).
- Yamazaki, S. I., et al. A fuel cell with selective electrocatalysts using hydrogen peroxide as both an electron acceptor and a fuel. Journal of Power Sources. 178 (1), 20-25 (2008).
- Sanli, A. E., Aytaç, A. Response to Disselkamp: Direct peroxide/peroxide fuel cell as a novel type fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 36 (1), 869-875 (2011).
- Gu, L., Nie, L., George H, M. i. l. e. y. Cathode electrocatalyst selection and deposition for a direct borohydride/hydrogen peroxide fuel cell. Journal of Power Sources. 173 (1), 77-85 (2007).
- Yang, F., Cheng, K., Wu, T., Zhang, Y., Yin, J., Wang, G., Cao, D. Preparation of Au nanodendrites supported on carbon fiber cloth and its catalytic performance to H2O2 electroreduction and electrooxidation. RSC Advances. 3 (16), 5483-5490 (2013).
- Vidal-Iglesias, F. J., Solla-Gullón, J., Herrero, E., Rodes, A., Aldaz, A. Do you really understand the electrochemical Nernst equation. Electrocatalysis. 4, 1-9 (2013).
- Jing, X., et al. The open circuit potential of hydrogen peroxide at noble and glassy carbon electrodes in acidic and basic electrolytes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 658 (1-2), 46-51 (2011).
- Eaves, S., Eaves, J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles. Journal of Power Sources. 130 (1-2), 208-212 (2004).
- Wee, J. H. Which type of fuel cell is more competitive for portable application: Direct methanol fuel cells or direct borohydride fuel cells. Journal of Power Sources. 161 (1), 1-10 (2006).
- Muthukumar, P., Groll, M. Erratum to "Metal hydride based heating and cooling systems: a review". International Journal of Hydrogen Energy. 35 (16), 8816-8829 (2010).
