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Engineering

Células a combustível de peróxido de hidrogênio sem membrana como fonte promissora de energia limpa

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 introduz o projeto e a avaliação de eletrodos tridimensionais inovadores para células a combustível de peróxido de hidrogênio, utilizando pano de fibra de carbono galvanizado com Au e eletrodos de espuma de Ni. Os resultados da pesquisa destacam o potencial do peróxido de hidrogênio como um candidato promissor para tecnologias de energia sustentável.

Abstract

Em uma investigação aprofundada de células a combustível à base de peróxido de hidrogênio sem membrana (H 2 O 2 FCs), peróxido de hidrogênio (H 2 O 2), um composto neutro em carbono, é demonstrado que sofre decomposição eletroquímica para produzir H 2 O, O 2e energia elétrica. As propriedades redox únicas de H 2O2 posicionam-no como um candidato viável para aplicações de energia sustentável. O projeto sem membrana proposto aborda as limitações das células de combustível convencionais, incluindo complexidades de fabricação e desafios de projeto. Um novo eletrodo tridimensional, sintetizado através de técnicas de galvanoplastia, é introduzido. Construído a partir de tecido de fibra de carbono galvanizado com alumínio combinado com espuma de Ni, este eletrodo apresenta cinética de reação eletroquímica aprimorada, levando a um aumento da densidade depotência para FCs H 2 O2. O desempenho das células a combustível está intrinsecamente ligado aos níveis de pH da solução eletrolítica. Além das aplicações de FC, tais eletrodos possuem potencial em sistemas portáteis de energia e como catalisadores de alta área superficial. Este estudo enfatiza a importância da engenharia de eletrodos na otimização do potencial de H2 O2 como uma fonte de energia ambientalmente correta.

Introduction

Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que utiliza combustível e oxidante para converter produtos químicos em energia elétrica. Os FCs têm maior eficiência de conversão de energia do que os motores de combustão tradicionais, uma vez que não estão vinculados pelo Ciclo1 de Carnot. Ao utilizar combustíveis como hidrogênio (H 2)2, boroidreto-hidrogênio (NaBH 4)3 e amônia (NH 3)4, os FCs tornaram-se uma fonte de energia promissora, ambientalmente limpa e capaz de alcançar alto desempenho, oferecendo um potencial significativo para reduzir a dependência humana de combustíveis fósseis. No entanto, a tecnologia FC enfrenta desafios específicos. Uma questão prevalente é o papel interno de uma membrana de troca de prótons (PEM) no sistema FC, que atua como uma proteção contra curtos-circuitos internos. A integração de uma membrana eletrolítica contribui para o aumento dos custos de fabricação, da resistência do circuito interno e da complexidade arquitetônica5. Além disso, a transformação de FCs de compartimento único em matrizes multipilha introduz complicações adicionais devido ao intrincado processo de integração de canais de fluxo, eletrodos e placas para melhorar as saídas de potência e corrente5.

Ao longo das últimas décadas, esforços conjuntos foram feitos para enfrentar esses desafios relacionados à membrana e simplificar o sistema de FC. Notavelmente, o surgimento de configurações de FC sem membrana usando cofluxos laminares em baixos números de Reynold ofereceu uma solução inovadora. Nessas configurações, a interface entre dois fluxos funciona como uma membrana condutora de prótons "virtual"6. Os CFs baseados em fluxo laminar (LFFCs) têm sido amplamente estudados, aproveitando os benefícios da microfluídica 7,8,9,10. No entanto, os LFFCs requerem condições rigorosas, incluindo alta entrada de energia para bombear combustíveis laminares/oxidantes, mitigação do cruzamento de reagentes em fluxos fluídicos e otimização de parâmetros hidrodinâmicos.

Recentemente, o H 2 O 2 tem ganhado interesse como potencial combustível e oxidante devido à sua natureza carbono neutro, produzindo água (H 2 O) e oxigênio (O2) durante processos de eletrooxidação e eletrorredução em eletrodos11,12. H 2O2 pode ser produzido em massa usando um processo de redução de dois elétrons ou por um processo de oxidação de dois elétrons a partir da água12. Posteriormente, em contraste com outros combustíveis gasosos, o combustível líquido H 2 O2pode ser integrado à infraestrutura de gasolina existente 5. Além disso, a reação de desproporção de H 2 O 2 torna possível servir H 2 O2 comocombustível e oxidante. A Figura 1A mostra uma estrutura esquemática da arquitetura de um fácil H 2 O2FC. Em comparação com as CFstradicionais2,3,4, a CF H 2 O2 utiliza as vantagens da "simplicidade" do dispositivo. demonstraram FCs H 2 O2sem membrana, desempenhando o papel de combustível e oxidante. O mecanismo descrito de geração de energia elétrica inspirou comunidades de pesquisa a dar continuidade a essa direção de pesquisa6. Posteriormente, mecanismos de eletrooxidação e eletrorredução utilizando H 2 O2como combustível e oxidante foram representados pelas seguintes reações13,14

Na mídia ácida:

Ânodo: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Catodo: H 2 O 2 + 2H+ + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. ELA
Total: 2 H 2 O 2→ 2H 2 O + O 2

Na mídia básica:

H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Ânodo: HO 2- + OH- → O 2 + H2 O + 2e-; Eb1 = 0,15 V vs. ELA
Catodo: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0,87 V vs. ELA
Total: 2 H 2 O 2→ 2H 2 O + O 2

A Figura 1B ilustra o princípio de funcionamento de H 2 O 2 FCs. H 2 O2 doa elétrons no ânodo e aceita elétrons no cátodo. A transferência de elétrons entre o ânodo e o cátodo ocorre através de um circuito externo, resultando na geração de eletricidade. O potencial teórico de circuito aberto (PCO) de H2 O2 FC é de 1,09 V em meio ácido e 0,62 V em meio básico13. Entretanto, inúmeros resultados experimentais têm mostrado valores inferiores, chegando até 0,75 V em meio ácido e 0,35 V em meio básico, quando comparados ao OCP teórico. Essa observação pode ser atribuída à presença de um potencialmisto13. Além disso, a potência e a saída de corrente dos FCs H 2 O 2 não podem competir com os FCs mencionados 2,3,4 devido à seletividade catalítica limitada dos eletrodos. No entanto, vale ressaltar que a tecnologia atual de CF H 2 O 2 pode superar as CFs H2, NaBH4 e NH3 em termos de custo global, como mostra a Tabela 1. Assim, a maior seletividade catalítica dos eletrodos para eletrooxidaçãoe eletrorredução de H 2 O2 permanece um desafio significativo para esses dispositivos.

Neste estudo, introduzimos um eletrodo de estrutura porosa tridimensional para melhorar a interação entre o eletrodo e o combustível H2 O2, visando aumentar a taxa de reação e aumentar a potência e a saída de corrente. Investigamos também o impacto do pH da solução e da concentração de H 2 O2no desempenho da CF. O par de eletrodos utilizado neste estudo é composto por um pano de fibra de carbono galvanizado a ouro e espuma de níquel. A caracterização estrutural é realizada usando Difração de Raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), com curvas de Potencial de Circuito Aberto (OCP), polarização e potência servindo como parâmetros primários para testes de FC.

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Protocol

1. Pré-processamento de materiais

NOTA: A espuma de Ni (comercialmente disponível, ver Tabela de Materiais) com 25 mm x 25 mm x 1,5 mm é usada para o ânodo doH 2 O2 FC.

  1. Imergir a amostra de espuma de Ni em álcool e água deionizada (DI), sonicar por três vezes, 5 min em solvente e água. Em seguida, coloque a espuma de Ni sobre um substrato de vidro limpo.
  2. Utilize o pano de fibra de carbono (consulte Tabela de Materiais) como substrato catódico. Corte o pano de carbono em pedaços quadrados de 25 mm x 25 mm com uma tesoura.
  3. Mergulhe a amostra de pano de carbono em acetona, álcool 75%, água DI e sonicate três vezes por 5 min, respectivamente. Em seguida, lave o pano de carbono com água DI para remover resíduos de álcool. Coloque o pano de carbono sobre um substrato de vidro.
    NOTA: Com base nos resultados de pesquisa discutidos15,16, Au como cátodo e Ni como ânodo foram escolhidos como catalisadores para H 2 O 2 FCs. Metais como Pt, Pd, Ni, Au e Ag têm seletividade catalítica específica para reação de oxidação ou redução de H 2 O2, tornando-os materiais eletrodos adequados. O eletrodo de fibra Au@carbon oferece uma combinação de atividade eletrocatalítica, estabilidade e condutividade aprimorada, tornando-o uma escolha adequada para células a combustível de peróxido de hidrogênio sem membrana.

2. Galvanoplastia de Au em um pano de carbono

  1. Preparar reagentes para galvanoplastia conforme indicado a seguir: ácido cloroáurico (HAuCl4), cloreto de potássio (KCl), ácido clorídrico (HCl) e água DI (ver Tabela de Materiais).
  2. Preparar 80 mL de soluções (com base no volume do copo) em um copo limpo com 0,005 M HAuCl4, 0,1 M KCl e 0,01 M HCl. Sele a abertura e mexa a solução por 15 min.
  3. Prepare o material de galvanoplastia, o pano de carbono e a solução de galvanização. O processo de galvanoplastia é executado pela Estação Eletroquímica (ES) (ver Tabela de Materiais).
    NOTA: Três métodos de eletrodos são selecionados aqui para chapeamento: pano de carbono como o eletrodo de trabalho (WE), haste de grafite como o eletrodo contador (CE), e Ag/AgCl (solução saturada de 1 M KCl) como o eletrodo de referência (RE).
  4. Verifique se cada eletrodo está apertando o objeto correto. Mergulhe os eletrodos na solução de chapeamento.
  5. Inicie o ES. Defina o programa para o Método de Cronoamperometria, como mostrado na Figura 1C. Certifique-se de que um único círculo de depósito é o seguinte: potencial de trabalho de 0,1 V por 0,1 s e potencial de repouso de 0,2 V por 0,2 s. Como resultado, o íon AuCl4- difunde-se uniformemente ao redor do WE.
    1. Defina os círculos de galvanoplastia em 800, 1600, 2400 e 3200 círculos. Execute o programa.
      Observação : normalmente, o programa de método de cronoamperometria no ES não pode atingir 1600 ciclos. Alternativamente, o programa Multi-Potential Steps da ES também pode ser usado para o método de galvanoplastia, as mesmas seleções que o método de cronoamperometria (consulte as instruções do fabricante).
  6. Após a galvanoplastia, feche o ES, embale os reagentes e colete o pano de fibra de carbono galvanizado Au (Au@CF).
  7. Mergulhe o Au@CF na água DI três vezes para remover os resíduos da solução. Coloque em um substrato de vidro para secar ao ar.
  8. Corte a parte não chapeada do Au@CF causada pelas braçadeiras para evitar que parte da FC entre em contato com as soluções.
  9. Meça o tamanho de Au@CF (a: comprimento, b: largura) com uma régua para calcular as densidades de corrente/potência.

3. Caracterização do desempenho de um CF

  1. Preparar soluções com duas concentrações, uma solução para gradiente de pH (1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), enquanto a outra solução para gradiente H 2 O 2 (C HP) (pH = 1, CHP = 0,25 mol, 0,5 mol, 1 mol,2 mol).
  2. Caracterizar o desempenho da FC pela ES com dois eletrodos para OCP e três eletrodos para as curvas de polarização e potência (passos 3.3-3.6).
  3. Lave novamente a espuma de Ni-foam e Au@CF novamente com água DI duas vezes. Reserve-os para o modo de espera.
  4. Obter dados OCP durante o teste de um FC: OCP é um parâmetro essencial no desempenho do FC.
    1. Use Ni-espuma como RE e CE, e Au@CF como WE. Adicione a solução ao copo de teste. Conecte eletrodos ao ES. Ligue o ES.
    2. Defina o programa para Open Circuit Potential - Método do Tempo; Tempo de execução: 400 s, Intervalo de amostra: 0,1 s, Limite E alto: 1 V, Limite E baixo: -1 V. Execute o programa.
      Observação : muitas vezes leva tempo para a saída FC para estabilizar. Execute medições até que resultados estáveis de FC sejam obtidos.
    3. Meça os dados. Feche o programa. Lave o copo e os eletrodos. Adicione outras soluções para testes específicos.
  5. Teste o desempenho de saída do FC com base nos dados do OCP. Aqui, apenas os dados originais da curva LSV (Linear Sweep Voltammetria ) são necessários. Outros dados de saída podem ser calculados a partir da curva LSV.
    1. Lave novamente a espuma de Ni-espuma e Au@CF com água DI (repetir duas vezes). Use Ni-espuma como RE e CE, Au@CF como NÓS. Adicione a solução ao copo de teste.
    2. Ajuste o programa para LSV, OCP como E Inicial, 0 V como E Final, taxa de varredura como 0,01 V/s, correspondendo às condições de circuito aberto (OCP) e curto-circuito (0 V). Execute o programa.
    3. Colete os dados, feche o programa, lave o copo e os eletrodos e adicione outras soluções necessárias para testes específicos.
  6. Lave os eletrodos após os experimentos e armazene-os em um copo.
    Observação : dados de experimento podem ser armazenados no formato EXCEL.

4. Caracterização estrutural de eletrodos

NOTA: XRD é um método fácil e confiável para analisar amostras. O DRX é tomado para detectar elementos dos eletrodos, como Au galvanizado no pano de carbono. Ensaios de DRX são realizados antes e após a caracterização da FC para análise do potencial de corrosão e degradação dos eletrodos. Por exemplo, partículas de Au podem se desprender da FC, e a corrosão por níquel pode ocorrer em soluções ácidas5.

  1. Lave os eletrodos com água DI (duas vezes) e seque-os no ar à temperatura ambiente.
  2. Raspe os metais nos eletrodos com uma pinça. Recolha o pó metálico e coloque-o num recipiente.
  3. Realizar testes de DRX17nas amostras de pó metálico.
  4. Tome MEV para caracterizar a morfologia dos eletrodos e investigar a infiltração e galvanoplastia entre o pano de ouro e fibra de carbono. Além disso, caracterizar a corrosão do níquel por MEV.

5. Processamento de dados e cálculo de potência

  1. Todos os dados podem ser analisados em EXCEL. Use o Excel ou o Origin para analisar dados e plotar gráficos experimentais.
  2. Use os dados do OCP para caracterizar a seletividade dos eletrodos, por exemplo, usando uma tabela ou uma figura de linha. Use o potencial médio para legendas de tabela. Normalmente, uma figura de linha é usada para demonstrar a estabilidade da FC.
  3. Use os dados LSV para caracterizar o desempenho de saída do FC. Há duas colunas de dados no arquivo EXCEL. Normalmente, um conjunto de dados mostra potencial (U) e o outro é corrente registrada (I). Calcule a potência de saída usando a seguinte equação: P = U × I
    NOTA: Um alto valor de corrente (I) mostra um desempenho satisfatório da FC. Por exemplo, uma grande área de superfície do eletrodo resulta em correntes mais altas. Um parâmetro normalizado referente ao desempenho dos FCs é a densidade de corrente (I D), que é igual à corrente dividida pela área superficial (A) dos eletrodos: ID = I/A
  4. Posteriormente, calcule a densidade de potência (DP) como: P D = U × ID
    NOTA: É essencial tomar o valor absoluto, pois os valores dos dados preliminares podem ser negativos devido à direção da corrente, o que não é desejável durante as medições.
  5. Comparar parâmetros usando U, I D e PD dentro de uma única figura é simples. Atribua ID ao eixo x, você ao eixo y esquerdo e PD ao eixo y direito.

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Representative Results

Resultados de galvanoplastia
A Figura 2 mostra os resultados da galvanoplastia. A Figura 2A indica o resultado da difração de raios X. Figura 2B,C são as micrografias. Figura 2D,E são resultados de MEV. A deposição efetiva de ouro (Au) no pano de fibra de carbono (CF) foi confirmada pela primeira vez usando a mudança física de cor no pano de fibra de carbono de preto para amarelo dourado, como mostrado na Figura 2B,C. Verificação adicional é obtida pela análise de difração de raios X, que mostrou picos claros em 38,2°, 44,4°, 64,6° e 77,6° correspondentes aos planos cristalinos (111), (200), (220) e (311) de Au cúbico centrado na face (fcc) (cartão PDF nº 04-0784), confirmando assim a galvanoplastia bem-sucedida de Au no substrato CF.

O teor de Au no eletrodo de fibra Au@carbon pode ser estimado da seguinte forma: começando com 1 g de HAuCl4; Pode ser utilizado para aproximadamente 15 sessões de galvanoplastia. O teor de ouro (mAu) de 1 g de HAuCl4 é calculado utilizando a fórmula:

Equation 1

De acordo com a estimativa mAu = 0,58 g. Quando dividida entre as 15 sessões, cada solução de galvanoplastia contém o seguinte peso de íons Au3+ :

Equation 2

No entanto, é essencial notar que nem todos os íons Au3+ na solução são depositados no pano de fibra de carbono durante o processo de galvanoplastia. Portanto, cada pano de fibra de carbono contém menos de 0,039 g de Au.

Imagens de MEV na Figura 2D-I indicaram uma dispersão uniforme de nanopartículas de Au através do tecido de fibra de carbono. Notavelmente, a estrutura porosa tridimensional original da FC permaneceu bem preservada após a galvanoplastia. Essa preservação é crucial, pois fornece uma grande área de superfície para interação com o combustível H2 O2, melhorando assim a taxa de reação e a potência de saída.

A Figura 3 ilustra Au@CFs submetidas a números variados de ciclos de galvanoplastia. A Figura 3A destaca a progressão de cor do tecido de fibra de carbono galvanizado Au. A transição de cor do preto original da CF para o ouro da Au, que se intensificou do claro para o escuro, sugere um aumento no volume de Au depositado na CF à medida que o número de ciclos de galvanoplastia aumentava. Suporte adicional para esta conclusão vem das imagens de MEV, Figura 3B-E, que revelam a distribuição evolutiva de Au através do tecido de fibra de carbono.

Resultados de desempenho do H 2 O2FC
A OCP dos FCs foi medida para diferentes pHs da solução e concentrações de H 2 O 2, o que ajuda a interpretar as propriedades eletroquímicas dos FCs H2 O2. A dependência explícita do OCP em pH e concentração de H 2 O2foi observada. A maior OCP foi alcançada em pH de 1 e concentração de H 2 O2de 0,25 mol. Os achados do OCP relacionados ao pH concordam com estudos prévios que indicamque a desproporção de H 2 O2 e o desempenho da CF são altamente dependentes do pH18. Um pH baixo ajuda a estabilizar as soluções de H 2 O 2, pois H 2 O2 pode ser visto como um ácido fraco. A decomposição química substancial de H 2O2 em soluções básicas com pH acima de 11 pode ser claramente observada. Além disso, de acordo com a Equação de Nernst18, a OCP tipicamente aumenta à medida que a concentração de eletrólitos aumenta. No entanto, em contraste com outros FCs, o OCP de H2 O 2 FCs diminui à medida que a concentração de H 2 O 2 aumenta, especialmente usando eletrodos de Au19. Hipotetiza-se que esta observação se deva ao potencial misto ou a seletividades limitadas dos eletrodos. Uma maior concentração leva a uma maior taxa de decomposição química, diminuindo assim o OCP. No entanto, mais pesquisas são necessárias para investigar essa observação mais detalhadamente.

Curvas de polarização e potência foram obtidas usando soluções específicas e condições de círculos de galvanoplastia. A potência máxima foi obtida nas condições ótimas usando condições específicas de círculo de galvanoplastia (pH 1, concentração deH 2 O2 1 mol, círculo de galvanoplastia 3200). Usando condições ótimas de solução, a potência máxima foi obtida nas condições ótimas (pH 1, concentração de H2 O2 mol). Este valor de potência máxima é significativamente maior do que aqueles obtidos com as condições não ótimas, destacando ainda mais a importância da otimização dos círculos de galvanoplastia e das condições de solução para alcançar FCs H 2 O2de alto desempenho.

Os FCsH 2 O2 apresentam estabilidade satisfatória usando condições ótimas durante medições contínuas de 400 s.

A análise de DRX17 dos eletrodos de Ni-espuma e Au@CF (antes e após os testes de desempenho em FC) mostrou alterações desprezíveis, indicando resistência satisfatória à corrosão dos eletrodos usando condições ótimas de operação. Seguindo o protocolo delineado, os resultados observados são ilustrados e mostram o melhor desempenho doH 2 O2 FC com o eletrodo poroso tridimensional.

Resultado positivo:
Como mostrado na Figura 4A, observou-se um aumento nas densidades de potência e corrente com um maior número de ciclos de galvanoplastia. Esta observação é atribuída a mais Au sendo plaqueado no CF com ciclos de galvanoplastia maiores, o que fornece um material mais ativo para facilitar reações eletroquímicas. No entanto, o aumento do desempenho da CF não aumenta proporcionalmente com o número de ciclos de galvanoplastia. Uma modesta melhoria de aproximadamente 20% nas densidades de corrente e potência foi registrada quando os ciclos de galvanoplastia dobraram de 800 para 1600. Ele sugeriu que a galvanoplastia excessiva pode levar à formação de uma camada que encapsula o nano Au, diminuindo assim a eficiência do transporte de massa. Esta descoberta pode fornecer informações valiosas sobre o método de galvanoplastia da fabricação de catalisadores.

A Figura 4B ilustra a durabilidade do potencial de circuito aberto (PCO) do H 2 O2FC em diferentes concentrações em soluções com pH 1. Os dados indicam que o eletrodo pode operar continuamente por pelo menos 400 s sem degradação significativa, mostrando a robustez dos eletrodos fabricados através de galvanoplastia.

Curiosamente, o OCP do H 2 O2FC superou o valor teórico em meios ácidos e básicos, sugerindo que o eletrodo projetado efetivamente catalisa reações dentro do FC. A potência e a saída de corrente do FC aumentaram com a concentração de H 2O2, atingindo um pico em um pH específico. Essa observação confirma a eficácia do eletrodo e destaca a influência do pH da solução e da concentração de H 2 O2no desempenho da CF.

A Figura 4C apresenta as curvas de polarização e densidade de potência da FC em condições ótimas. Uma densidade de potência de pico de aproximadamente 0,8 W m-2 foi alcançada em uma concentração de H 2 O 2 de2M e um pH de 1, demonstrando a eficiência do eletrodo poroso tridimensional em facilitar as reações do FC e aumentar a potência.

Resultado negativo:
Por outro lado, resultados subótimos foram observados em concentrações excessivamente altas de H 2 O2. Como mostrado na Figura 4C, um aumento na concentração de H 2 O 2 além de um ponto ótimo não resulta em um aumento proporcional correspondente no desempenho, ressaltando a existência de uma concentração ideal de H 2 O2para operação de FC para equilibrar o uso de combustível e a saída de desempenho. Por exemplo, a densidade de potência máxima aumentou cerca de 44% de 0,56 W m-2 para 0,81 W m-2 quando a concentração de H 2 O 2 aumentou oito vezes de 0,25 M para 2M.

Além disso, o desempenho do CF mostrou-se sensível ao pH da solução. Em condições extremamente ácidas e básicas (valores de pH abaixo de 3 e acima de 11), a potência de saída do CF foi relativamente alta, como pode ser visto na Figura 4D.

Esses resultados elucidam como vários parâmetros influenciam o desempenho dos CFsH 2 O2. Com a otimização da composição química e o desenvolvimento de eletrocatalisadores mais seletivos, este dispositivo energético promissor e ecologicamente correto pode encontrar aplicações práticas. A Tabela 1 mostra os competitivos custos de combustível e energia gerada nos sistemas FC20,21,22.

Figure 1
Figura 1: Representação esquemática deste estudo. (A) Integração esquemática de um único CF sem membrana. (B) Um princípio de funcionamento do H 2O2 FC. (C) O processo de galvanoplastia com pré-processamento em tecido de fibra de carbono, solução de galvanoplastia de 5 mM HAuCl4, 1 M HCl, e programa de galvanoplastia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Caracterização estrutural de 1600 círculos galvanizados Au@CF. (A) Resultado de DRX de Au@CF. (B) Micrografia da FC antes da galvanoplastia. (C) Micrografia de CF após depósito de Au. (D,E); (F,G); e (H,I) são resultados de MEV para FC antes da galvanoplastia, após a galvanoplastia e após testes de desempenho, respectivamente. Barras de escala: (D), 20 μm; (E,G), 1 μm; (F,H,I), 10 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Resultados micrográficos e de microscopia eletrônica de varredura de Au@CF sob diferentes círculos de galvanoplastia. (A) Da esquerda para a direita estão 0, 800, 1600, 2400 e 3200 círculos de galvanoplastia Au@CF, respectivamente. (B-E) são imagens MEV de Au@CF sob 800, 1600, 2400 e 3200 círculos de galvanoplastia, respectivamente. Barras de escala: (B,D), 10 μm; (C), 2 μm; (E), 3 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Caracterização do desempenho da FC. (A) Curvas de polarização (esquerda) e potência (direita) utilizando diferentes círculos de galvanoplastia (800, 1600, 2400, 3200 círculos) em soluções de pH = 1, CHP = 1 M. (B) Ensaio OCP sob diferentes concentrações de H 2 O 2 (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) em soluções de pH = 1 e com 1600 círculos galvanizados Au@CF por 400 s. (C) Polarização (esquerda) e curva de potência (direita) sob diferentes concentrações de H 2 O 2(0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2M) em pH = 1 soluções e com 1600 círculos galvanizados Au@CF. (D) OCP e curvas de densidade máxima de corrente sob diferentes condições de pH variando de pH = 1 a 13 em soluções de 1 MH 2 O2 e com 1600 Au@CF círculos galvanoplastia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Combustíveis Energia livre (kJ/mol) Custo do combustível Custo de energia ($/kW) Referência
Hidrogénio -237 6,9 $/kg 200 20
NaBH4 -1273 55 $/kg 10.2 21
H 2O2 -120 1,8 $/tonelada (a granel) 1.84 22

Quadro 1: Custos competitivos dos combustíveis e custo da energia gerada nos sistemas FC.

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Discussion

Vários parâmetros influenciam significativamente o desempenho de uma célula a combustível de peróxido de hidrogênio sem membrana além do pH da solução e da concentração de H 2 O2. A escolha do material do eletrodo determina a atividade eletrocatalítica e a estabilidade, enquanto a área de superfície do eletrodo pode melhorar os locais de reação. A temperatura de operação afeta a cinética da reação, e a taxa de fluxo dos reagentes pode determinar a eficiência de mistura do combustível e do oxidante. A concentração de qualquer catalisador usado é fundamental para as taxas de reação, e as impurezas podem inibir ou envenenar o catalisador. O projeto da célula de combustível, incluindo espaçamento entre eletrodos e geometria do canal de fluxo, impacta o transporte de massa e a cinética. O tipo e a concentração do eletrólito influenciam a condutividade iônica, e a resistência e o projeto do circuito externo podem alterar parâmetros operacionais como corrente e densidade de potência. Além disso, a concentração de oxigênio, um subproduto da decomposição de H 2 O2na presença de catalisadores específicos, também pode desempenhar um papel no desempenho da célula. A otimização desses parâmetros é essencial para a eficiência e durabilidade das células a combustível de peróxido de hidrogênio sem membrana 7,8,9,10.

A investigação concentrou-se na fabricação de um eletrodo poroso tridimensional adaptado para células a combustível de peróxido de hidrogênio (H 2 O2FCs) e na melhoria do desempenho da célula a combustível por meio da regulação dos parâmetros da solução11,12. O sucesso da galvanoplastia de Au sobre FC foi confirmado usando análise de DRX e imagens de MEV. O eletrodo de Au@CF poroso tridimensional resultante exibiu desempenho robusto em FCs H 2 O 2 sob condições ótimas de solução (pH 1, concentração de H 2 O2M), e uma razão de desempenho ótima foi alcançada em 1600 ciclos de galvanoplastia, como indicado por OCP, potência e estabilidade superior.

Esses resultados trazem implicações cruciais para o projeto e desenvolvimento de eletrodos eficientes para FCs H 2 O2. A estrutura porosa tridimensional está preparada para maximizar a área de contato com o combustível H 2 O 2, potencialmente aumentando a taxa de reação eletroquímica e aumentando a potência dos FCs. Além disso, a notável resistência à corrosão do eletrodo Au@CF sugere que os materiais escolhidos têm o potencial para operação estável e de longo prazo de FCs H 2 O2.

Certos elementos críticos requerem consideração meticulosa para melhorar ainda mais o desempenho deH 2 O2 FCs com um eletrodo de estrutura porosa tridimensional. A principal delas é a fabricação do eletrodo poroso. O tratamento superficial adequado e a regulação da distribuição do tamanho dos poros são de extrema importância, pois esses fatores impactam diretamente na eficiência eletrocatalítica do eletrodo. Além disso, o manejo da concentração deH 2 O2 e do pH da solução é crítico. O desempenho da CF pode ser diminuído devido à concentração excessiva ou insuficiente de H2 O2, como observado nos experimentos, e uma tendência semelhante foi observada quando o pH da solução se desviou da faixa ótima.

Para melhorar o desempenho do H 2 O2FC em condições ideais, certas modificações podem ser justificadas. Por exemplo, o processo de tratamento de superfície do eletrodo pode ser otimizado para alcançar uma gama mais diversificada de tamanhos de poros, o que pode melhorar a cinética de reação. Quando a potência esperada não é atingida, etapas específicas de pesquisa podem ser necessárias, que podem envolver o ajuste fino da concentração de H 2 O2, o ajuste do pH e a contemplação de outros parâmetros, incluindo temperatura e pressão, que podem impactar o desempenho dos FCs.

Enquanto o desenvolvimento bem-sucedido do novo eletrodo e os resultados promissores dos testes de FCs pavimentam o caminho para aplicações potenciais de H 2 O 2 em tecnologia de energia limpa, mais pesquisas são necessárias para refinar o projeto, seletividade e área de superfície do eletrodo para aplicações práticas de H 2 O2 FC.

O comportamento observado em FCs H 2O2 sem membrana ressalta a intrincada interação entre a dinâmica do pH e a concentração de peróxido de hidrogênio. O desempenho de H 2O2 FCs não é meramente uma função de seu projeto de eletrodos, mas é profundamente influenciado pela composição química do eletrólito. Em um pH ótimo e concentração deH 2 O2, as reações eletroquímicas são facilitadas, levando a uma transferência de elétrons eficiente e maior potência de saída. A influência do pH pode ser atribuída ao seu papel na modulação da atividade de prótons e do potencial redox do sistema. Um pH equilibrado garante que as reações eletroquímicas, tanto no ânodo quanto no cátodo, ocorram suavemente, sem qualquer impedimento13,14. Por outro lado, a concentração deH 2 O2 afeta diretamente a disponibilidade de reagentes. Uma concentração ótima garante que haja um suprimento constante de moléculas de H 2O2 para participar das reações redox, gerando assim um fluxo consistente de elétrons. No entanto, qualquer desvio desse equilíbrio, seja um pH desequilibrado ou uma concentração subótima de H2 O2, pode interromper o fluxo de elétrons, levando à diminuição do desempenho. É plausível que, em níveis extremos de pH, a estrutura ou atividade do catalisador possa estar comprometida, ou reações colaterais possam se tornar predominantes. Da mesma forma, concentrações muito baixas ou muito altas de H 2 O2podem privar a reação ou levar à sua saturação, respectivamente. Em essência, a sinergia entre pH e concentração de peróxido é fundamental para determinar a eficiência de H 2O2 FCs. Pesquisas futuras podem esclarecer mais profundamente a compreensão desses parâmetros, potencialmente liberando um desempenho ainda maior desses dispositivos de energia sustentável.

Etapas críticas
O processo de galvanoplastia de ouro (Au) sobre tecido de carbono é uma pedra angular na fabricação dos eletrodos tridimensionais. A qualidade, uniformidade e espessura da camada de ouro são primordiais, pois afetam diretamente os atributos eletroquímicos do eletrodo. A técnica de cronoamperometria, escolhida para esse processo, oferece a vantagem de garantir uma deposição consistente e uniforme de ouro no pano. No entanto, um equilíbrio delicado deve ser alcançado na determinação do número de ciclos de galvanoplastia. Muitos ciclos levam a um revestimento excessivo de ouro, o que pode comprometer a natureza porosa inerente do tecido de fibra de carbono, afetando assim sua eficiência. A preparação da solução H 2O2 é outra etapa crítica que exige precisão. O nível de pH e a concentração da solução de H 2 O2são determinantes para determinar o desempenho da CF. A pesquisa observou uma correlação direta entre esses parâmetros e a saída da CF, destacando a importância do preparo meticuloso da solução.

Modificações e solução de problemas
A introdução de um eletrodo poroso tridimensional foi uma modificação significativa com o objetivo de aumentar a interação entre o eletrodo e o combustível H2 O2. O principal objetivo por trás dessa inovação de projeto era acelerar a taxa de reação eletroquímica, aumentando assim a potência e as saídas de corrente. No entanto, embora o projeto seja promissor, o processo de galvanoplastia pode exigir refinamentos adicionais para garantir que as propriedades do eletrodo estejam alinhadas com os resultados desejados. A pesquisa ressaltou a sensibilidade do desempenho do CF ao pH e concentração da solução H 2 O2. Qualquer desvio dos parâmetros ideais pode levar à diminuição das saídas de energia ou mesmo instabilidade na operação do FC. Como medida de solução de problemas, o ajuste fino desses parâmetros pode corrigir problemas de desempenho.

Limitações
Apesar dos avanços, a atual tecnologiaH 2 O2 FC tem certas limitações. Quando justapostos com outras tecnologias de célula de combustível, os FCsH 2 O2 tendem a exibir saídas de potência e corrente mais baixas. Uma razão primária para isso é a seletividade catalítica limitada dos eletrodos. O desempenho doH 2 O 2 FC é altamente dependente do pH da solução e da concentração de H 2 O 2. Essa sensibilidade implica que há uma janela de operação relativamente estreita dentro da qual a FC pode entregar resultados ideais.

Importância em relação aos métodos existentes
A arquitetura sem membrana do H 2 O 2 FC difere significativamente das células a combustível convencionais 1,2,3,4. Essa escolha de design contorna efetivamente vários desafios que afligem os FCs tradicionais, como os altos custos associados à fabricação e as complexidades inerentes ao seu design. A introdução de um eletrodo tridimensional nesta pesquisa é um divisor de águas. Ao facilitar a cinética aprimorada da reação eletroquímica, este projeto de eletrodo tem a promessa de alcançar densidades de potência maisaltas para FCs H 2 O2, diferenciando-os dos projetos convencionais.

Futuras aplicações da técnica
Além de sua aplicação em células a combustível, os eletrodos tridimensionais têm um potencial mais amplo. Eles podem ser integrados em sistemas portáteis de energia ou mesmo empregados como catalisadores de alta área superficial. Tal versatilidade pode catalisar a evolução de dispositivos de energia compactos e eficientes adequados para diversas aplicações. O trabalho pioneiro emH 2 O2 FCs é crucial na mudança global da dependência de combustíveis fósseis para a adoção de alternativas energéticas mais ecológicas.

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Disclosures

Os autores não têm conflitos a declarar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Chave da China (2021YFA0715302 e 2021YFE0191800), pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (61975035 e 52150610489) e pela Comissão de Ciência e Tecnologia do Município de Xangai (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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Lan, R., Tao, S. Ammonia as a suitable fuel for fuel cells. Frontiers in Energy Research. 2, 2014 (2014).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ha, S. M., Ahn, Y. Laminar flow-based micro fuel cell utilizing grooved electrode surface. Journal of Power Sources. 267, 731-738 (2014).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Wu, K. H., et al. Highly selective hydrogen peroxide electrosynthesis on carbon: in situ interface engineering with surfactants. Chem. 6 (6), 1443-1458 (2020).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Gu, L., Nie, L., George H, M. iley Cathode electrocatalyst selection and deposition for a direct borohydride/hydrogen peroxide fuel cell. Journal of Power Sources. 173 (1), 77-85 (2007).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Eaves, S., Eaves, J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles. Journal of Power Sources. 130 (1-2), 208-212 (2004).
  21. 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).
  22. 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).

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