Membranløse hydrogenperoksidbrenselceller som en lovende ren energikilde
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.
Protocol
Representative Results
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 a…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
