Summary
このプロトコルでは、Au電気めっき炭素繊維クロスとNiフォーム電極を利用した、過酸化水素燃料電池用の革新的な3次元電極の設計と評価を紹介します。この研究結果は、過酸化水素が持続可能なエネルギー技術の有望な候補としての可能性を浮き彫りにしています。
Abstract
メンブレンレス過酸化水素ベースの燃料電池(H2O2FC)の詳細な調査では、カーボンニュートラル化合物である過酸化水素(H2O2)が電気化学的分解を受けてH2O、O2、および電気エネルギーを生成することが実証されている。H2O2のユニークな酸化還元特性は、それを持続可能なエネルギー用途の実行可能な候補として位置付けます。提案されたメンブレンレス設計は、製造の複雑さや設計上の課題など、従来の燃料電池の限界に対処します。電気めっき技術で合成された新しい3次元電極を紹介します。この電極は、Niフォームと組み合わせたAu電気メッキされた炭素繊維クロスで構成されており、電気化学反応速度論が強化されており、H2O2 FCの電力密度が向上しています。燃料電池の性能は、電解液のpHレベルと複雑に関係しています。FC用途以外にも、このような電極はポータブルエネルギーシステムや高表面積触媒としての可能性を秘めています。この研究は、環境に優しいエネルギー源としてのH2O2の可能性を最適化する上での電極工学の重要性を強調しています。
Introduction
燃料電池は、燃料と酸化剤を利用して化学物質を電気エネルギーに変換する電気化学デバイスです。FCは、カルノーサイクル1に縛られないため、従来の内燃機関よりもエネルギー変換効率が高くなります。水素(H2)2、水素化ホウ素水素(NaBH4)3、アンモニア(NH3)4などの燃料を利用することで、環境に優しく高性能なエネルギー源として期待されており、化石燃料への依存度を下げる大きな可能性を秘めています。しかし、FCテクノロジーは特有の課題に直面しています。一般的な問題の1つは、FCシステムにおけるプロトン交換膜(PEM)の内部の役割であり、内部短絡に対する保護手段として機能します。電解膜の一体化は、製造コスト、内部回路抵抗、およびアーキテクチャの複雑さの増加に寄与します5。さらに、シングルコンパートメントFCをマルチスタックアレイに変換すると、流路、電極、プレートを統合して電力と電流の出力を強化する複雑なプロセスにより、さらに複雑になります5。
過去数十年にわたり、これらの膜関連の課題に対処し、FCシステムを合理化するために協調的な取り組みが行われてきました。特に、低レイノルド数での層流を用いたメンブレンレスFC構成の出現は、革新的なソリューションを提供しました。このような設定では、2つの流れの間の界面が「仮想的な」プロトン伝導性膜6として機能する。層流ベースのFC(LFFC)は、マイクロ流体工学の利点を活用して広く研究されています7,8,9,10。ただし、LFFCには、層流燃料/酸化剤をポンピングするための高エネルギー入力、流体流での反応物クロスオーバーの緩和、流体力学的パラメータの最適化など、厳しい条件が必要です。
最近、H2O 2は、そのカーボンニュートラルな性質のために潜在的な燃料および酸化剤として関心を集めており、電極11,12での電気酸化および電気還元プロセス中に水(H 2 O)および酸素(O 2)を生成する。H2O2は、水12から2電子還元プロセスまたは2電子酸化プロセスを用いて大量生産することができる。続いて、他の気体燃料とは対照的に、液体H2O2燃料を既存のガソリンインフラ5に統合することができる。その上、H2O 2不均化反応は、H 2O 2を燃料および酸化剤の両方として機能させることを可能にする。図1Aは、簡易H2O2FCのアーキテクチャの概略構造を示す。従来のFC2、3、4と比較して、H2O2FCは、デバイスの「シンプルさ」の利点を利用しています。Yamasakiらは、燃料と酸化剤の両方の役割を果たす膜のないH2O2FCを実証しました。電気エネルギー生成のメカニズムの説明は、研究コミュニティにこの研究の方向性6を継続するよう促しました。続いて、燃料および酸化剤としてH2O 2を使用する電気酸化および電気還元メカニズムは、以下の反応13,14によって表されている
酸性媒体中:
アノード:H2O 2 →O2 + 2H+ + 2e-;Ea1 = 0.68 V vs. SHE
カソード:H2O2 + 2H + + 2e- →2H2O;Ea2 = 1.77 V 対彼女が
合計:2H2O 2 → 2H 2 O + O 2
基本メディアの場合:
H2O2+OH-→HO2-+H2O
陽極:HO 2- + OH- →O 2 + H 2 O + 2e-;Eb1 = 0.15 V 対彼女が
カソード:HO 2- + H2O + 2e- → 3OH - ;Eb2 = 0.87 V 対彼女が
合計:2 H2O 2 → 2H 2 O + O 2
図1Bは、H2O2FCの動作原理を示す。 H2O2は、陽極で電子を供与し、陰極で電子を受け入れる。アノードとカソードの間の電子移動は外部回路を介して行われ、電気が発生します。H2O2FCの理論上の開回路電位(OCP)は、酸性媒体で1.09V、塩基性媒体で0.62Vである13。しかし、多くの実験結果では、理論上のOCPと比較して、酸性媒体で最大0.75V、塩基性媒体で最大0.35Vに達する低い値が示されています。この観察は、混合電位13の存在に起因することができる。さらに、H2O2FCの電力および電流出力は、電極の触媒選択性が限られているため、前述のFC2、3、4と競合することができない。それにもかかわらず、表1に示されるように、現在のH2O2FC技術が、全体的なコストの点でH2、NaBH4、およびNH3FCを凌駕し得ることは注目に値する。したがって、H2O2電気酸化および電気還元のための電極の触媒選択性の向上は、これらのデバイスにとって依然として重要な課題である。
本研究では、電極とH2O2燃料との相互作用を改善するために、三次元多孔質構造の電極を導入し、反応速度の向上と電力および電流出力の向上を目指します。また、溶液のpHとH2O2濃度がFCの性能に与える影響についても調査しています。本研究で使用した電極対は、金電気めっき炭素繊維布とニッケル発泡体で構成されています。構造特性評価は、X線回折(XRD)と走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して行われ、開回路電位(OCP)、偏光、および出力曲線がFCテストの主要なパラメータとして機能します。
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Protocol
1. 材料の前処理
注:H2O2 FCのアノードには、25 mm x 25 mm x 1.5 mmのNiフォーム(市販、材料表を参照)が使用されています。
- Niフォームサンプルをアルコールと脱イオン(DI)水に浸し、溶媒と水で5分間、3回超音波処理します。続いて、Niフォームをきれいなガラス基板の上に置きます。
- 炭素繊維クロス( 材料表を参照)をカソード基板として使用します。カーボンクロスをハサミで25mm×25mm角にカットします。
- カーボンクロスサンプルをアセトン、75%アルコール、脱イオン水に浸し、それぞれ5分間3回超音波処理します。次に、カーボンクロスを純水で洗い流し、アルコールの残留物を取り除きます。カーボンクロスをガラス基板の上に置きます。
注:議論された研究結果15,16に基づいて、陰極としてAu、陽極としてNiがH2O 2 FCの触媒として選択されました。 Pt、Pd、Ni、Au、およびAgなどの金属は、H 2O 2の酸化または還元反応に対して特定の触媒選択性を有し、それらを適切な電極材料にします。Au@carbon繊維電極は、電気触媒活性、安定性、および強化された導電性の組み合わせを提供し、メンブレンレス過酸化水素燃料電池に適しています。
2. カーボンクロスへのAuの電気めっき
- クロロ金酸(HAuCl4)、塩化カリウム(KCl)、塩酸(HCl)、および脱イオン水(材料 表を参照)で与えられる電気めっき用の試薬を調製します。
- 0.005 M HAuCl4、0.1 M KCl、および0.01 M HClを含むクリーンビーカーで80 mLの溶液(ビーカーの容量に基づく)を調製します。 開口部を密封し、溶液を15分間攪拌します。
- 電気めっき材料、カーボンクロス、めっき液を準備します。電気めっきプロセスは、電気化学ステーション(ES)によって実行されます( 材料表を参照)。
注:ここでは、作用極(WE)としてカーボンクロス、対極(CE)としてグラファイトロッド、参照電極(RE)としてAg/AgCl(飽和1 M KCl溶液)の3つの電極法が選択されています。 - 各電極が正しい対象物をクランプしていることを確認します。電極をめっき液に浸漬します。
- ES を起動します。図1Cに示すように、プログラムをクロノアンペロメトリー法に設定します。1 つの堆積円が、作動電位 0.1 V で 0.1 秒、静止電位 0.2 V で 0.2 秒であることを確認します。その結果、AuCl4-イオンはWEの周囲に均一に拡散します。
- 電気めっき円を800、1600、2400、3200円に設定します。プログラムを実行します。
注意: 通常、ESのクロノアンペロメトリー法プログラムは1600サイクルを達成できません。また、ESの マルチポテンシャルステップ プログラムは、クロノアンペロメトリー法と同じ選択の電気めっき法にも使用できます(メーカーの説明書を参照)。
- 電気めっき円を800、1600、2400、3200円に設定します。プログラムを実行します。
- 電気めっき後、ESを閉じ、試薬を梱包し、Au電気めっき炭素繊維クロス(Au@CF)を回収します。
- Au@CFを脱イオン水に3回浸し、溶液の残留物を取り除きます。ガラス基板の上に置いて空気中で乾燥させます。
- クランプによって生じたAu@CFのメッキされていない部分を切断して、CFの一部が溶液に接触しないようにします。
- Au@CFのサイズ(a: 長さ、 b:幅)を定規で測定し、電流/電力密度を計算します。
3. FCの性能特性評価
- 2つの濃度の溶液を調製し、1つはpHグラジエント用溶液(1 mol H2O 2、pH = 1、3、5、7、9、11、13)用、もう1つはH 2 O2(C HP)グラジエント用(pH = 1、CHP = 0.25 mol、0.5 mol、1 mol、2 mol)用である。
- OCP用の2つの電極と、分極曲線と電力出力曲線用の3つの電極を使用して、ESによるFC性能を特徴付けます(ステップ3.3-3.6)。
- Niフォームを再洗浄し、DI水で再度2回Au@CFします。スタンバイのために脇に置いておきます。
- FCのテスト中にOCPデータを取得する:OCPはFCのパフォーマンスに不可欠なパラメータです。
- Ni-foam を RE と CE の両方として使用し、Au@CF を WE として使用します。溶液をテストビーカーに追加します。電極をESに接続します。ES の電源を入れます。
- プログラムを開回路電位-時間法に設定します。実行時間:400秒、サンプル間隔:0.1秒、E上限:1V、E下限:-1V。
メモ: 多くの場合、FC 出力が安定するまでに時間がかかります。安定したFC結果が得られるまで測定を実行します。 - データを測定します。プログラムを閉じます。ビーカーと電極を洗浄します。特定のテスト用に他のソリューションを追加します。
- OCPデータに基づくFCの出力性能をテストします。ここでは、元の リニアスイープボルタンメトリー (LSV)曲線データのみが必要です。さらにLSV曲線から出力データを計算できます。
- NiフォームとAu@CFを脱イオン水で再洗浄します(2回繰り返します)。Ni-foam を RE および CE として使用し、Au@CF WE として使用します。溶液をテストビーカーに追加します。
- 開回路(OCP)と短絡(0V)の条件に応じて、プログラムをLSV、OCPを初期E、0Vを最終E、スキャンレートを0.01V / sに設定します。プログラムを実行します。
- データを収集し、プログラムを閉じ、ビーカーと電極を洗浄し、特定のテストに必要なその他のソリューションを追加します。
- 実験後に電極を洗浄し、ガラスの上に保管してください。
注:実験データはEXCEL形式で保存できます。
4. 電極の構造特性評価
注:XRDは、サンプルを分析するための簡単で信頼性の高い方法です。XRDは、カーボンクロスに電気メッキされたAuなどの電極の要素を検出するために行われます。X線回折試験は、FCの特性評価の前後に行われ、電極の潜在的な腐食と劣化を分析します。例えば、Au粒子がCFから剥離したり、酸性溶液ではニッケル腐食が起こることがある5。
- 電極を脱イオン水(2回)で洗浄し、室温で空気中で乾燥させます。
- ピンセットで電極上の金属をこすり落とします。金属粉末を集めて容器に入れます。
- 金属粉末サンプルに対してXRDテスト17を実行します。
- SEMを用いて電極の形態を特徴付け、金と炭素繊維クロスの間の浸透と電気めっきを調査します。さらに、SEMによるニッケルの腐食を特徴付けます。
5. データ処理と出力計算
- すべてのデータはEXCELで分析できます。ExcelまたはOriginを使用して、データを分析し、実験グラフをプロットします。
- OCPデータを使用して、表や線図などを使用して電極の選択性を特徴付けます。表の凡例に平均ポテンシャルを使用します。通常、線図はFCの安定性を示すために使用されます。
- LSVデータを使用して、FCの出力性能を特徴付けます。EXCEL ファイルには 2 つのデータ列があります。通常、1つのデータセットは電位(U)を示し、もう1つのデータセットは記録された電流(I)を示します。次の式を使用して電力出力を計算します:P = U × I
注:高い電流(I)値は、FCの満足のいくパフォーマンスを示します。たとえば、電極表面積が大きいと、電流が大きくなります。FCの性能を表す正規化されたパラメータは電流密度(I D)であり、これは電流を電極の表面積(A)で割った値に等しくなります:ID = I/A - 続いて、電力密度(PD)を次のように計算します:PD = U ×I D
注:電流の方向により予備データ値が負になる可能性があり、測定中に望ましくないため、絶対値を取得することが不可欠です。 - 1つの図内でU、ID、およびPD を使用してパラメータを比較するのは簡単です。X 軸にI D 、左の Y 軸に U、右の Y 軸に PD を割り当てます。
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Representative Results
電気めっき結果
図2に電気めっきの結果を示します。 図2A にX線回折結果を示す。 図2B、C は顕微鏡写真です。 図2D、E はSEMの結果です。炭素繊維クロス(CF)への金(Au)の効果的な析出は、 図2B、Cに示すように、炭素繊維クロス内の色が黒から黄金色に物理的に変化することによって最初に確認されました。さらに、X線回折解析により、面心立方(fcc)Auの(111)、(200)、(220)、(311)の結晶面に対応する38.2°、44.4°、64.6°、77.6°に明確なピークが見られ(PDFカード番号:04-0784)、CF基板へのAuの電気めっきに成功したことが確認されました。
Au@carbon繊維電極中のAu含有量は、次のように推定できます:1gのHAuCl4から始めます。約15回の電気めっきセッションに利用できます。1gのHAuCl4 からの金含有量(mAu)は、次の式を使用して計算されます。
推定値 mAu = 0.58 g に準拠。15のセッションに分けると、各電気めっき溶液には次の重量のAu3+ イオンが含まれています。
ただし、電気めっきプロセス中に溶液中のすべてのAu3+イオンが炭素繊維クロスに堆積するわけではないことに注意することが不可欠です。したがって、各炭素繊維布は0.039g未満のAuを含んでいます。
図2D-IのSEM画像は、炭素繊維布全体にAuナノ粒子が均一に分散していることを示しました。驚くべきことに、CFの元の3次元多孔質構造は、電気めっき後もよく保存されていました。この保存は、H2O2燃料との相互作用のための大きな表面積を提供し、それによって反応速度および出力を改善するので、極めて重要である。
図3は、さまざまな数の電気めっきサイクルを受けたAu@CFsを示しています。図3Aは、Au電気めっき炭素繊維クロスの色の進行を示しています。CFの元の黒からAuの金色への色の変化は、明るい色から暗い色に強くなり、電気めっきサイクルの数が増えるにつれてCFに堆積するAuの量が増加したことを示唆しています。この結論をさらに裏付けるSEM画像(図3B-E)は、炭素繊維クロス全体にわたるAuの分布の変化を明らかにしています。
H2O2 FC性能結果
FCのOCPは、異なる溶液pHおよびH2O2濃度について測定され、これは、H2O2FCの電気化学的特性を解釈するのに役立つ。OCPのpHおよびH2O2濃度の両方に対する明示的な依存性が観察された。最高のOCPは、pH1および0.25molのH2O2濃度で達成された。pHに関連するOCPの所見は、H2O2の不均化およびFC性能がpHに高度に依存することを示す以前の研究と一致する18。H2O 2は弱酸と見なすことができるため、低pHはH 2O 2溶液を安定化するのに役立ちます。pH 2を超える塩基性溶液中のH2O11の実質的な化学分解がはっきりと観察される。さらに、ネルンスト式18によると、OCPは通常、電解質の濃度が増加するにつれて増加します。しかしながら、他のFCとは対照的に、H2O2FCのOCPは、特にAu電極19を用いて、H2O2濃度が増加するにつれて減少する。この観察は、混合電位または限られた電極選択性によるものであるという仮説が立てられています。濃度が高いほど化学分解速度が高くなり、OCPが低下します。それにもかかわらず、この観察をより詳細に調査するには、さらなる研究が必要です。
分極曲線と出力曲線は、特定の溶液と電気めっき円条件を使用して取得されています。最大出力は、特定の電気めっき円条件(pH1、H2O2濃度1mol、電気めっき円3200)を使用して最適な条件で得られた。最適溶液条件を用いて、最適条件(pH 1、H2O 2濃度2 mol)で最大出力を得た。この最大出力値は、非最適条件で得られたものよりも大幅に高く、高性能なH2O2FCを実現するための電気めっき円と溶液条件の最適化の重要性をさらに強調しています。
H2O2 FCは、400秒の連続測定中に最適な条件で満足のいく安定性を示します。
Ni-foamおよびAu@CF電極(FC性能試験前後)のXRD分析17では、わずかな変化が見られ、最適な動作条件を使用した電極の耐食性は良好であることが示されました。概説されたプロトコルに従って、観察された結果が図示され、三次元多孔質電極によるH2O2FCの性能の向上が示される。
肯定的な結果:
図4Aに示されているように、電気めっきサイクルの数が多いほど、電力密度と電流密度の増加が観察されました。この観察結果は、電気めっきサイクルが長いほどCFにめっきされるAuの量が増え、電気化学反応を促進するための活性物質が増えたことに起因しています。ただし、FC性能の向上は、電気めっきサイクルの数に比例して増加しません。電気めっきサイクルが800から1600に倍増したときに、電流密度と電力密度が約20%のわずかな改善が記録されました。これは、過度の電気めっきがナノAuを内包する層の形成につながり、それによって物質輸送効率を低下させる可能性があることを示唆しています。この知見は、触媒製造の電気めっき法に関する貴重な洞察を提供する可能性があります。
図4Bは、pHが1の溶液中の異なる濃度におけるH2O2FCの開回路電位(OCP)の耐久性を示す。このデータは、電極が著しい劣化なしに少なくとも400秒間連続して動作できることを示しており、電気めっきによって製造された電極の堅牢性を示しています。
興味深いことに、H2O2 FCのOCPは、酸性媒体と塩基性媒体の両方で理論値を上回り、設計された電極がFC内の反応を効果的に触媒することを示唆しています。FCの電力および電流出力は、H2O2濃度とともに増加し、特定のpHでピークに達することがわかった。この観察は、電極の有効性を確認し、溶液のpHおよびH2O2濃度がFC性能に及ぼす影響を強調している。
図4Cは、最適な条件下でのFCの偏波と電力密度の曲線を示しています。H2O2濃度2M、pH1で約0.8W m-2のピーク電力密度を達成し、FCの反応を促進し、電力出力をブーストする三次元多孔質電極の効率を実証しました。
否定的な結果:
一方、過度に高いH2O2濃度では最適でない結果が観察された。図4Cに示されるように、最適点を超えてH2O2濃度が増加しても、それに対応する性能の比例的な増加は生じず、燃料使用量と性能出力とのバランスをとるためのFC運転のための理想的なH2O2濃度の存在を強調する。例えば、H2O2濃度が0.25Mから2Mに8倍に増加したとき、最大電力密度は0.56Wm-2から0.81Wm-2に約44%増加した。
さらに、FC性能は溶液のpHに敏感であることがわかりました。 図4Dに示すように、極端な酸性および塩基性条件(pH値が3未満および11を超える)では、FCの出力は比較的高かった。
これらの結果は、様々なパラメータがH2O2FCの性能にどのように影響するかを解明するものである。化学組成のさらなる最適化とより選択的な電極触媒の開発により、この有望で環境に優しいエネルギーデバイスは実用化されています。表1は、FCシステム20、21、22で生成される競争力のある燃料コストとエネルギーを示しています。
図1:この研究の概略図。 (A)単一のメンブレンレスFCの概略積分。(b)H2O2FCの動作原理。(C)炭素繊維クロス、5 mM HAuCl4、1 M HClの電気めっき溶液、および電気めっきプログラムに前処理を施した電気めっき法のプロセス。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:電気めっきされた1600円の構造特性 Au@CF. (A) Au@CFのXRD結果。(B)電気めっき前のCFの顕微鏡写真。(C)Au堆積後のCFの顕微鏡写真。(D、E);(F、G);(H,I)は、それぞれ電気めっき前、電気めっき後、性能試験後のCFのSEM結果です。スケールバー:(D)、20 μm;(E,G)、1μm;(F,H,I)、10μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:異なる電気めっきサークルでのAu@CFの顕微鏡写真とSEMの結果。 (A)左から0、800、1600、2400、3200の電気めっき円Au@CF。(B-E)は、それぞれ800、1600、2400、および3200の電気めっき円未満のAu@CFのSEM画像です。スケールバー:(B,D)、10 μm;(c)、2μm;(E)、3μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:FCの性能特性評価。 (A)pH = 1、CHP = 1 M溶液で異なる電気めっき円(800、1600、2400、3200円)を使用した分極(左)と出力(右)の曲線。(b)異なるH2O 2濃度(0.25M、0.5M、1M、2M H2O 2)のpH = 1溶液中で、1600円を電気めっきAu@CFして400秒間OCP試験を行う。 (C)異なるH 2O 2濃度(0.25M、0.5M、1M、 pH = 1溶液で、1600円で電気めっきAu@CF 2M。(D)1 M H 2 O2溶液中で、1600 Au@CF の電気めっき円で、pH = 1 から 13 の範囲の異なる pH 条件下での OCP および最大電流密度曲線。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| 燃料 | 自由エネルギー (kJ/mol) | 燃料費 | エネルギーコスト($/kW) | 参考 |
| 水素 | -237 | 6.9ドル/kg | 200 | 20 |
| ナブ4 | -1273 | 55ドル/kg | 10.2 | 21 |
| H2O2 | -120 | 1.8 $/トン (バルク) | 1.84 | 22 |
表1:FCシステムで生成される燃料の競争力のあるコストとエネルギーのコスト。
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Discussion
いくつかのパラメータは、溶液のpHおよびH2O2濃度を超えて、メンブレンレス過酸化水素燃料電池の性能に大きく影響します。電極材料の選択は電気触媒活性と安定性を決定し、電極の表面積は反応部位を増強することができます。動作温度は反応速度論に影響を与え、反応物の流量は燃料と酸化剤の混合効率を決定する可能性があります。使用する触媒の濃度は反応速度にとって極めて重要であり、不純物は触媒を阻害または中毒する可能性があります。電極の間隔や流路の形状など、燃料電池の設計は、物質輸送と動力学に影響を与えます。電解質の種類と濃度はイオン伝導率に影響を与え、外部回路の抵抗と設計は電流や電力密度などの動作パラメータを変える可能性があります。さらに、特定の触媒の存在下でのH2O2分解の副産物である酸素の濃度も、セルの性能に役割を果たすことができる。これらのパラメータを最適化することは、メンブレンレス過酸化水素燃料電池の効率と耐久性にとって不可欠です7,8,9,10。
研究は、過酸化水素燃料電池(H2O2FC)用に調整された3次元多孔質電極の作製と、溶液パラメータの調節による燃料電池の性能の向上に集中した11,12。CFへのAuの電気めっきの成功は、XRD分析とSEMイメージングを使用して確認されました。得られた三次元多孔質Au@CF電極は、最適溶液条件(pH1、H2O2濃度2M)下でH2O2FCsにおいて頑健な性能を示し、OCP、出力、および優れた安定性によって示されるように、1600回の電気めっきサイクルで最適な性能比を達成した。
これらの結果は、H2O2 FC用の効率的な電極を設計および開発するための極めて重要な意味を持ちます。三次元多孔質構造は、H2O2燃料との接触面積を最大化する態勢を整えており、潜在的に電気化学反応速度を高め、FCの出力を増大させる。 さらに、Au@CF電極の顕著な耐食性は、選択された材料がH2O2FCの長期安定動作の可能性を有することを示唆している。
特定の重要な要素は、三次元多孔質構造電極を有するH2O2FCの性能をさらに高めるために細心の注意を払った検討を必要とする。その中でも特に重要なのが、多孔質電極の作製です。適切な表面処理と細孔径分布の調節は、電極の電気触媒効率に直接影響するため、最も重要です。さらに、H2O2濃度および溶液pHの管理は重要である。実験で観察されたように、FCの性能は、H2O2濃度が過剰または不十分であるために低下する可能性があり、溶液のpHが最適範囲から逸脱したときにも同様の傾向が観察された。
最適な条件下でH2O2FCの性能を向上させるために、特定の修正が保証される場合がある。例えば、電極表面処理プロセスを最適化して、より多様な細孔径を達成することができ、反応速度を高めることができる。期待される出力が達成されない場合、H2O2濃度の微調整、pHの調整、およびFCの性能に影響を与える可能性のある温度および圧力を含む他のパラメータの検討を含むことができる、特定の研究ステップが必要になる場合がある。
新しい電極の開発の成功とFC試験からの有望な結果は、クリーンエネルギー技術におけるH2O 2の潜在的な用途への道を開く一方で、H2O2 FCの実用化に向けて電極の設計、選択性、および表面積を洗練させるためには、さらなる研究が必要である。
メンブレンレスH2O2FCで観察された挙動は、pHダイナミクスと過酸化水素濃度の間の複雑な相互作用を強調しています。H2O2 FCの性能は、単に電極設計の関数ではなく、電解質の化学組成に深く影響されます。最適なpHおよびH2O2濃度では、電気化学反応が促進され、効率的な電子移動および増強された電力出力をもたらす。pHの影響は、システムのプロトン活性と酸化還元電位の調節におけるpHの役割に起因する可能性があります。バランスの取れたpHは、アノードとカソードの両方での電気化学反応が支障なくスムーズに進行することを保証します13,14。一方、H2O2濃度は反応物の利用可能性に直接影響します。最適な濃度は、酸化還元反応に参加するためのH2O 2分子の安定した供給があることを保証し、それによって一貫した電子の流れを生成する。しかしながら、この平衡からのいかなる逸脱も、不均衡なpHまたは最適でないH2O2濃度のいずれかによって、電子の流れが乱され、性能の低下につながる可能性がある。pHが極端になると、触媒の構造や活性が損なわれたり、副反応が優勢になったりする可能性があります。同様に、H2O2濃度が低すぎるまたは高すぎると、それぞれ反応が飢餓状態になるか、または飽和状態になる可能性がある。本質的に、pHと過酸化物濃度の相乗効果は、H2O2 FCの効率を決定する上で極めて重要です。 今後の研究により、これらのパラメータの理解が深まり、これらの持続可能なエネルギーデバイスからさらに優れた性能が引き出される可能性があります。
重要なステップ
カーボンクロスに金(Au)を電気めっきするプロセスは、3次元電極の製造の基礎です。金層の品質、均一性、厚さは、電極の電気化学的特性に直接影響するため、最も重要です。このプロセスに採用されたクロノアンペロメトリー技術には、布上に金が均一に堆積するという利点があります。ただし、電気めっきサイクルの数を決定する際には、微妙なバランスを取る必要があります。サイクルが多すぎると、金が過剰にコーティングされ、カーボンファイバークロスの本来の多孔質性が損なわれ、効率に影響を与える可能性があります。H2O2 溶液の調製は、精度を要求する別の重要なステップです。H2O2 溶液のpHレベルと濃度は、FCの性能を決定するのに役立ちます。この研究では、これらのパラメータとFCの出力との間に直接的な相関関係があることが観察され、綿密な溶液調製の重要性が浮き彫りになりました。
変更とトラブルシューティング
3次元多孔質電極の導入は、電極とH2O2燃料との間の相互作用を強化することを目的とした重要な修正であった。この設計革新の背後にある主な目的は、電気化学反応速度を加速し、それによって電力と電流の両方の出力を向上させることでした。ただし、設計は有望ですが、電極の特性が望ましい結果と一致するようにするために、電気めっきプロセスでさらに改良が必要になる場合があります。この研究は、H2O2溶液のpHと濃度に対するFCの性能感度を強調しました。最適なパラメータから逸脱すると、出力が低下したり、FCの動作が不安定になったりする可能性があります。トラブルシューティングの手段として、これらのパラメーターを微調整することで、パフォーマンスの問題を修正できます。
制限
進歩にもかかわらず、現在のH2O2 FC技術には一定の制限があります。他の燃料電池技術と並置すると、H2O2FCは、より低い電力および電流出力を示す傾向がある。この主な理由は、電極の触媒選択性が限られていることです。H2O2FCの性能は、溶液のpHおよびH2O2濃度に大きく左右される。この感度は、FCが最適な結果を提供できる操作期間が比較的狭いことを意味します。
既存の手法に対する意義
H2O2FCのメンブレンレス構造は、従来の燃料電池1,2,3,4とは大きく異なる。この設計の選択により、製造に伴う高コストや設計に固有の複雑さなど、従来のFCを悩ませていたいくつかの課題を効果的に回避できます。この研究における3次元電極の導入は、ゲームチェンジャーです。この電極設計は、電気化学反応速度論の強化を促進することにより、H2O2 FCのより高い電力密度を達成し、従来の設計とは一線を画す有望なものです。
本技術の今後の応用
3次元電極は、燃料電池への応用にとどまらず、より広い可能性を秘めています。ポータブルエネルギーシステムに組み込んだり、高表面積の触媒として使用したりすることもできます。このような汎用性は、多様なアプリケーションに適したコンパクトで効率的なエネルギーデバイスの進化を促進することができます。H2O2 FCに関する先駆的な研究は、化石燃料への依存から、より環境に優しい代替エネルギーの採用への世界的な移行において重要です。
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Disclosures
作成者には、宣言する競合はありません。
Acknowledgments
この研究は、中国国家基幹技術研究開発プログラム(2021YFA0715302および2021YFE0191800)、中国国家自然科学基金会(61975035および52150610489)、上海市科学技術委員会(22ZR1405000)の支援を受けました。
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
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