Summary
Этот протокол знакомит с проектированием и оценкой инновационных трехмерных электродов для топливных элементов на основе перекиси водорода с использованием гальванической ткани из углеродного волокна и электродов из вспененного никеля. Результаты исследования подчеркивают потенциал перекиси водорода в качестве многообещающего кандидата для устойчивых энергетических технологий.
Abstract
В углубленном исследовании безмембранных топливных элементов на основе перекиси водорода (H 2 O 2 FCs) показано, что перекись водорода (H 2 O2), углеродно-нейтральное соединение, подвергается электрохимическому разложению с образованием H 2 O, O2 и электрической энергии. Уникальные окислительно-восстановительныесвойства H 2 O2 делают его жизнеспособным кандидатом для применения в устойчивой энергетике. Предлагаемая безмембранная конструкция учитывает ограничения обычных топливных элементов, включая сложность изготовления и проблемы проектирования. Представлен новый трехмерный электрод, синтезированный с помощью гальванических технологий. Изготовленный из ткани из углеродного волокна с гальваническим покрытием Au в сочетании с никель-пенопластом, этот электрод демонстрирует улучшенную кинетику электрохимической реакции, что приводит к увеличению плотности мощности дляH2O2 FC. Производительность топливных элементов неразрывно связана с уровнем pH раствора электролита. Помимо применения в FC, такие электроды обладают потенциалом в портативных энергетических системах и в качестве катализаторов с большой площадью поверхности. В данном исследовании подчеркивается важность электродной инженерии в оптимизации потенциала Н2О2 как экологическичистого источника энергии.
Introduction
Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое использует топливо и окислитель для преобразования химических веществ в электрическую энергию. FC имеют более высокую эффективность преобразования энергии, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания, поскольку они не связаны цикломКарно 1. Благодаря использованию таких видов топлива, как водород (H2)2, борогидрид-водород (NaBH 4)3 и аммиак (NH 3)4, FC стали перспективным источником энергии, который является экологически чистым и может достигать высоких эксплуатационных характеристик, предлагая значительный потенциал для снижения зависимости человека от ископаемого топлива. Тем не менее, технология FC сталкивается с определенными проблемами. Одной из распространенных проблем является внутренняя роль протонообменной мембраны (PEM) в системе FC, которая действует как защита от внутренних коротких замыканий. Интеграция электролитической мембраны способствует увеличению затрат на изготовление, сопротивлению внутренней цепи и архитектурной сложности5. Кроме того, преобразование односекционных ПЧ в многостековые матрицы создает дополнительные сложности из-за сложного процесса интеграции проточных каналов, электродов и пластин для увеличения выходной мощности и тока5.
За последние десятилетия были предприняты согласованные усилия для решения этих проблем, связанных с мембранами, и оптимизации системы ФК. Примечательно, что появление безмембранных конфигураций FC с использованием ламинарных копотоков при низких числах Рейнольда предложило инновационное решение. В таких установках граница раздела между двумя потоками функционирует как «виртуальная» протонпроводящая мембрана6. ФК на основе ламинарного потока (LFFC) были широко изучены с использованием преимуществ микрофлюидики 7,8,9,10. Тем не менее, LFFC требуют строгих условий, включая высокие затраты энергии на перекачку ламинарного топлива/окислителей, смягчение перекрестного потока реагентов в жидкостных потоках и оптимизацию гидродинамических параметров.
В последнее время Н2О2 вызывает интерес в качестве потенциального топлива и окислителя из-за своей углеродно-нейтральной природы, выделяя воду (Н2О)и кислород (О2) в процессах электроокисления и электровосстановления на электродах11,12. Н2О2 может быть массово получен с использованием двухэлектронного восстановительного процесса или двухэлектронного процесса окисления из воды12. Впоследствии, в отличие от других газообразных видов топлива, жидкое топливоH2O2может быть интегрировано в существующую бензиновую инфраструктуру 5. Кроме того, реакция диспропорционирования Н2О2 позволяет использовать Н2О2 как в качестве топлива, так и в качестве окислителя. На рисунке 1А показана схематическая структура архитектуры легкогоН2О2 ФК. По сравнению с традиционными FC 2,3,4, H 2 O 2FC использует преимущества «простоты» устройства. Yamasaki et al. продемонстрировали безмембранныеH2O2 FC, играющие роль как топлива, так и окислителя. Описанный механизм генерации электрической энергии вдохновил научное сообщество на продолжение данного направления исследований6. В дальнейшем механизмы электроокисления и электровосстановления сиспользованием Н2О2 в качестве топлива и окислителя были представлены следующими реакциями 13,14
В кислых средах:
Анод: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 В вс. SHE
Катод: Н2Н2Н2 +2Н++2е- →2Н2О; Ea2 = 1,77 В против ОНА
Итого: 2 Ч 2 О2 → 2Н 2 О + О 2
В основных носителях:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Анод: HO 2- + OH- → O 2 + H2O + 2e-; Eb1 = 0,15 В по сравнению с ОНА
Катод: HO2- +H2O+2E- → 3OH-; Eb2 = 0,87 В против ОНА
Итого: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
На рисунке 1Б показан принцип работы Н2О2 ФК. Н2О2 О2 отдаетэлектроны на аноде и принимает электроны на катоде. Перенос электронов между анодом и катодом происходит по внешней цепи, в результате чего происходит выработка электроэнергии. Теоретический потенциал холостого хода (OCP) H2 O2 FC составляет 1,09 В в кислых средах и 0,62 В в основных средах13. Однако многочисленные экспериментальные результаты показали более низкие значения, достигающие 0,75 В в кислых средах и 0,35 В в основных средах, по сравнению с теоретическим OCP. Это наблюдение можно объяснить наличием смешанного потенциала13. Кроме того, выходная мощность и токН2О 2 ФК не могут конкурировать с упомянутыми ФК 2,3,4 из-за ограниченной каталитической селективности электродов. Тем не менее, следует отметить, что нынешняя технология H2 O 2 FC может превзойти H2, NaBH4 и NH3 FC с точки зрения общей стоимости, как показано в таблице 1. Таким образом, повышенная каталитическая селективность электродов для электроокисления и электровосстановления Н2О2 остается существенной проблемой для этих устройств.
В этом исследовании мы представляем электрод с трехмерной пористой структурой для улучшения взаимодействия между электродом и топливомH2O2с целью увеличения скорости реакции и увеличения выходной мощности и тока. Мы также исследуем влияние рН раствора и концентрации H2 O2 на производительность ФК. Электродная пара, используемая в этом исследовании, состоит из позолоченной ткани из углеродного волокна и никелевой пены. Структурные характеристики проводятся с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), при этом в качестве основных параметров для FC-тестирования выступают кривые потенциала разомкнутой цепи (OCP), поляризации и выходной мощности.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Предварительная обработка материалов
ПРИМЕЧАНИЕ: Никелирующий пенопласт (коммерчески доступный, см. Таблицу материалов) размером 25 мм x 25 мм x 1,5 мм используется для анода H 2O2 FC.
- Погрузите образец Ni-foam в спирт и деионизированную (DI) воду, трижды проведите ультразвуковую обработку в течение 5 минут в растворителе и воде. Затем поместите Ni-foam на чистую стеклянную подложку.
- Используйте ткань из углеродного волокна (см. Таблицу материалов) в качестве катодной подложки. Разрежьте углеродную ткань на квадратные кусочки размером 25 мм х 25 мм с помощью ножниц.
- Погрузите образец из углеродной ткани в ацетон, 75% спирт, деионизированную воду и трижды проведите ультразвуковую обработку на 5 минут соответственно. Затем промойте угольную ткань деионизированной водой, чтобы удалить остатки спирта. Положите углеродную ткань на стеклянную подложку.
ПРИМЕЧАНИЕ: Основываясь на обсуждаемых результатахисследований 15,16, Au в качестве катода и Ni в качестве анода были выбраны в качестве катализаторов для H 2 O 2 FC. Такие металлы, как Pt, Pd, Ni, Au и Ag, обладают специфической каталитической селективностью по отношению к реакции окисления или восстановления H 2 O2, что делает их подходящими электродными материалами. Волокнистый электрод Au@carbon сочетает в себе электрокаталитическую активность, стабильность и повышенную проводимость, что делает его подходящим выбором для безмембранных топливных элементов с перекисью водорода.
2. Гальваническое покрытие Au на углеродной ткани
- Приготовьте реагенты для гальванического покрытия, как указано в следующем: хлорауриновая кислота (HAuCl4), хлорид калия (KCl), соляная кислота (HCl) и деионизированная вода (см. Таблицу материалов).
- Приготовьте 80 мл растворов (в зависимости от объема стакана) в чистом стакане с 0,005 М HAuCl4, 0,1 М KCl и 0,01 М HCl. Закройте отверстие и перемешивайте раствор в течение 15 минут.
- Подготовьте гальванический материал из углеродной ткани и гальванический раствор. Процесс гальванического покрытия осуществляется электрохимической станцией (ЭС) (см. таблицу материалов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь для нанесения покрытия выбраны три электрода: углеродная ткань в качестве рабочего электрода (WE), графитовый стержень в качестве контрэлектрода (CE) и Ag/AgCl (насыщенный раствор 1 M KCl) в качестве электрода сравнения (RE). - Убедитесь, что каждый электрод зажимает правильный объект. Погрузите электроды в гальванический раствор.
- Запустите ES. Установите программу на метод хроноамперометрии, как показано на рисунке 1C. Убедитесь, что один круг осаждения выглядит следующим образом: рабочий потенциал 0,1 В в течение 0,1 с и потенциал покоя 0,2 В в течение 0,2 с. В результатеион AuCl 4- равномерно диффундирует вокруг WE.
- Установите гальванические круги на 800, 1600, 2400 и 3200 кругов. Запустите программу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, программа метода хроноамперометрии в ЭС не может достичь 1600 циклов. В качестве альтернативы, программа Multi-Potential Steps of ES также может быть использована для гальванического метода, того же выбора, что и для метода хроноамперометрии (см. инструкцию производителя).
- Установите гальванические круги на 800, 1600, 2400 и 3200 кругов. Запустите программу.
- После гальванического покрытия закройте ES, упакуйте реагенты и соберите гальваническую ткань из углеродного волокна Au (Au@CF).
- Погрузите Au@CF в деионизированную воду три раза, чтобы удалить остатки раствора. Поместите его на стеклянную подложку для сушки на воздухе.
- Отрежьте непокрытую часть Au@CF, вызванную зажимами, чтобы предотвратить контакт части CF с растворами.
- Измерьте размер Au@CF (a: длина, b: ширина) с помощью линейки для вычисления плотности тока/мощности.
3. Характеристика эксплуатационных характеристик ФК
- Готовят растворы с двумя концентрациями: один для градиента рН (1 моль Н 2 О 2, рН = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), а другой для градиента Н 2 О 2 (С НР) (рН = 1, СНР = 0,25 моль, 0,5 моль, 1 моль,2 моль).
- Охарактеризовать характеристики FC по ES с помощью двух электродов для OCP и трех электродов для кривых поляризации и выходной мощности (шаги 3.3-3.6).
- Повторно промойте Ni-foam и снова Au@CF с DI-водой два раза. Отложите их в сторону для ожидания.
- Получение данных OCP во время тестирования FC: OCP является важным параметром в производительности FC.
- Используйте Ni-foam как в качестве RE и CE, так и Au@CF в качестве WE. Добавьте раствор в тестовый стакан. Подсоедините электроды к ЭС. Включите ES.
- Установите в программе значение Open Circuit Potential - Time Method; Время работы: 400 с, интервал выборки: 0,1 с, верхний предел E: 1 В, нижний предел E: -1 В. Запустите программу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Часто требуется время, чтобы выход FC стабилизировался. Выполняйте измерения до тех пор, пока не будут получены стабильные результаты FC. - Измерьте данные. Закройте программу. Вымойте стакан и электроды. Добавьте другие решения для конкретных тестов.
- Тестирование выходных характеристик FC на основе данных OCP. Здесь требуются только исходные данные кривой линейной вольтамперометрии (LSV). Дальнейшие выходные данные могут быть рассчитаны по кривой LSV.
- Повторно промойте Ni-foam и Au@CF деионизированной водой (повторите два раза). Используйте Ni-foam как RE и CE, Au@CF как WE. Добавьте раствор в тестовый стакан.
- Установите программу на LSV, OCP в качестве начального E, 0 В в качестве конечного E, скорость сканирования 0,01 В/с, что соответствует условиям обрыва цепи (OCP) и короткого замыкания (0 В). Запустите программу.
- Соберите данные, закройте программу, промойте стакан и электроды и добавьте другие необходимые растворы для конкретных тестов.
- После опытов вымойте электроды и храните их на стакане.
ПРИМЕЧАНИЕ: Данные эксперимента могут быть сохранены в формате EXCEL.
4. Структурная характеристика электродов
ПРИМЕЧАНИЕ: Дифрактометрия является простым и надежным методом анализа образцов. Дифрактометрия используется для обнаружения элементов электродов, таких как гальваническое покрытие Au на углеродной ткани. Дифрактометрические тесты проводятся до и после определения характеристик FC для анализа потенциальной коррозии и деградации электродов. Например, частицы Au могут отделяться от CF, а коррозия никеля может возникать в кислых растворах5.
- Промойте электроды деионизированной водой (два раза) и высушите их на воздухе при комнатной температуре.
- Соскребите пинцетом металлы с электродов. Соберите металлический порошок и поместите его в контейнер.
- Проводят рентгенофракционные тесты17на образцах металлического порошка.
- Используйте SEM для характеристики морфологии электродов и исследования инфильтрации и гальванического покрытия между тканью из золотого и углеродного волокна. Кроме того, характеризуют коррозию никеля методом СЭМ.
5. Обработка данных и расчет выходной мощности
- Все данные можно проанализировать в EXCEL. Используйте Excel или Origin для анализа данных и построения экспериментальных графиков.
- Используйте данные OCP для характеристики селективности электродов, например, с помощью таблицы или линейного рисунка. Используйте средний потенциал для условных обозначений таблицы. Как правило, линейная фигура используется для демонстрации устойчивости ФК.
- Используйте данные LSV для характеристики выходной производительности FC. В файле EXCEL есть два столбца данных. Как правило, один набор данных показывает потенциал (U), а другой — записанный ток (I). Рассчитайте выходную мощность, используя следующее уравнение: P = U × I
ПРИМЕЧАНИЕ: Высокое значение тока (I) свидетельствует об удовлетворительной работе FC. Например, большая площадь поверхности электрода приводит к более высоким токам. Нормированным параметром, относящимся к характеристикам ФК, является плотность тока (I D), которая равна току, деленному на площадь поверхности (A) электродов: ID = I/A - Впоследствии рассчитайте плотность мощности (ПД) по формуле: PD = U × ID
ПРИМЕЧАНИЕ:Важно брать абсолютное значение, так как предварительные значения данных могут быть отрицательными из-за направления тока, что нежелательно при измерениях. - Сравнение параметров с помощью U, ID и PD в пределах одной фигуры не вызывает затруднений. Назначьте ID на ось x, U на левую ось Y и PD на правую ось Y.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Результаты гальванического покрытия
На рисунке 2 показаны результаты гальванического покрытия. На рисунке 2А показан результат рентгеноструктурного анализа. На рисунке 2B,C показаны микрофотографии. На рисунке 2D,E показаны результаты СЭМ. Эффективное осаждение золота (Au) на ткань из углеродного волокна (CF) было впервые подтверждено с помощью физического изменения цвета ткани из углеродного волокна от черного до золотисто-желтого, как показано на рисунке 2B, C. Дальнейшая проверка была достигнута с помощью рентгеноструктурного анализа, который показал четкие пики на 38,2°, 44,4°, 64,6° и 77,6°, соответствующие (111), (200), (220) и (311) плоскостям кристаллов гранецентрированного кубического (fcc) Au (PDF-карта No 04-0784), тем самым подтверждая успешное гальваническое нанесение Au на подложку CF.
Содержание Au в Au@carbon волоконном электроде можно оценить следующим образом: начиная с 1 г HAuCl4; Его можно использовать примерно для 15 сеансов гальванического покрытия. Содержание золота (мАу) из 1 г HAuCl4 рассчитывают по формуле:
По оценке mAu = 0,58 г. При разделении на 15 сеансов каждый гальванический раствор содержит следующую массу ионов Au3+ :
Однако важно отметить, что не все ионы Au3+ в растворе осаждаются на ткани из углеродного волокна в процессе гальванического покрытия. Таким образом, каждая ткань из углеродного волокна содержит менее 0,039 г Au.
Изображения РЭМ на рисунке 2D-I показали равномерную дисперсию наночастиц Au по ткани из углеродного волокна. Примечательно, что первоначальная трехмерная пористая структура КФ хорошо сохранилась после гальванического покрытия. Такая консервация имеет решающее значение, так как обеспечивает большую площадь поверхности для взаимодействия с топливомH2O2, тем самым улучшая скорость реакции и выходную мощность.
На рисунке 3 показаны Au@CFs, подвергнутые различному количеству циклов гальванического покрытия. На рисунке 3A показана цветовая прогрессия ткани из углеродного волокна с гальваническим покрытием Au. Переход цвета от первоначального черного цвета CF к золотому Au, который усиливался от светлого к темному, свидетельствует об увеличении объема Au, осажденного на CF, по мере увеличения числа циклов гальванических покрытий. Дальнейшим подтверждением этого вывода являются изображения РЭМ (рис. 3B-E), которые показывают эволюционирующее распределение Au по ткани из углеродного волокна.
Результаты выступленийH 2 O2 FC
ОКТ ФК измеряли при различных концентрациях рН раствора иконцентрации Н2О2, что позволяет интерпретировать электрохимические свойства Н2О2 ФК. Наблюдалась явная зависимость ОКП как от рН,так и от концентрации Н2О2. Самый высокий ОКТ был достигнут при рН 1 и концентрацииН2О20,25 моль. Результаты ОКТ, связанные с рН, согласуются с предыдущими исследованиями, указывающими на то, что диспропорционирование Н2О2и производительность ФК сильно зависят от рН18. Низкий pH помогает стабилизировать растворыH2O2, так как H 2 O2можно рассматривать как слабую кислоту. Отчетливо прослеживается существенное химическое разложениеН2О2в основных растворах с рН выше 11. Кроме того, согласно уравнениюНернста 18, ОКП обычно увеличивается с увеличением концентрации электролитов. Однако, в отличие от других ФК, ОКП Н2О2 ФК уменьшается по мере увеличения концентрации Н2О2,особенно при использовании Au-электродов19. Предполагается, что это наблюдение обусловлено смешанным потенциалом или ограниченной электродной селективностью. Более высокая концентрация приводит к более высокой скорости химического разложения, тем самым уменьшая OCP. Тем не менее, для более детального изучения этого наблюдения необходимы дальнейшие исследования.
Поляризационные кривые и кривые выходной мощности были получены с использованием специальных решений и условий гальванического круга. Максимальная выходная мощность была получена при оптимальных условиях с использованием специфических условий гальванического круга (рН 1,Н2О2 концентрация 1 моль, гальванический круг 3200). Используя оптимальные условия раствора, максимальная выходная мощность была получена при оптимальных условиях (рН 1,концентрация Н2О2 2 моль). Это значение максимальной выходной мощности значительно выше, чем при неоптимальных условиях, что еще раз подчеркивает важность оптимизации гальванических кругов и условий решения для достижения высоких характеристикH2O2 FC.
H 2 O2FC демонстрируют удовлетворительную стабильность при оптимальных условиях при непрерывных измерениях в течение 400 с.
Дифрактометрический анализ17 никелевых и Au@CF электродов (до и после эксплуатационных испытаний ПЧ) показал незначительные изменения, что свидетельствует об удовлетворительной коррозионной стойкости электродов при оптимальных условиях эксплуатации. В соответствии с изложенным протоколом, наблюдаемые результаты проиллюстрированы и показывают улучшенную производительность H 2 O2 FC с трехмерным пористым электродом.
Положительный результат:
Как показано на рисунке 4А, увеличение мощности и плотности тока наблюдалось при большем количестве циклов гальванического покрытия. Это наблюдение объясняется тем, что большее количество Au наносится на CF с большими циклами гальванического покрытия, что обеспечивает более активный материал для облегчения электрохимических реакций. Тем не менее, повышение производительности ПЧ не увеличивается пропорционально количеству циклов гальванического покрытия. Небольшое улучшение примерно на 20% по плотности тока и мощности было зафиксировано, когда циклы гальванического покрытия удвоились с 800 до 1600. Было высказано предположение, что чрезмерное гальваническое покрытие может привести к образованию слоя, который инкапсулирует нано-Au, тем самым снижая эффективность массопереноса. Это открытие может дать ценную информацию о гальваническом методе изготовления катализаторов.
На рисунке 4Б показана долговечность потенциала разомкнутого контура (OCP)H2O2FC при различных концентрациях в растворах с рН 1. Данные указывают на то, что электрод может работать непрерывно в течение не менее 400 с без значительного ухудшения качества, что свидетельствует о надежности электродов, изготовленных с помощью гальваники.
Интересно, что ОКПН2О2 ФК превзошли теоретическое значение как в кислых, так и в основных средах, что позволяет предположить, что разработанный электрод эффективно катализирует реакции внутри ФК. Было обнаружено, что мощность и ток ФК увеличиваются с концентрацией Н2О2, достигая пика при определенном рН. Это наблюдение подтверждает эффективность электрода и подчеркивает влияние рН раствора и концентрацииH2O2на производительность FC.
На рисунке 4C представлены кривые поляризации и плотности мощности FC в оптимальных условиях. Пиковая плотность мощности около 0,8 Вт м-2 была достигнута при концентрации H 2 O2и pH 1, что свидетельствует об эффективности трехмерного пористого электрода в облегчении реакций ТЭ и увеличении выходной мощности.
Отрицательный результат:
С другой стороны, неоптимальные результаты наблюдались при чрезмерно высоких концентрацияхН2О2. Как показано на рисунке 4C, увеличение концентрации H2O2 сверх оптимальной точки не приводит к соответствующему пропорциональному увеличению производительности, что подчеркивает существование идеальной концентрацииH2O2для работы FC для балансировки расхода топлива и производительности. Например, максимальная плотность мощности увеличилась примерно на 44% с 0,56 Вт м-2 до 0,81 Вт м-2 при увеличении концентрацииH2O2в восемь раз с 0,25 М до 2 М.
Кроме того, было обнаружено, что характеристики ФК чувствительны к рН раствора. В экстремально кислых и основных условиях (значения рН ниже 3 и выше 11) выходная мощность ПЧ была относительно высокой, как показано на рисунке 4D.
Эти результаты проясняют, как различные параметры влияют на производительностьH2O2 FC. При дальнейшей оптимизации химического состава и разработке более селективных электрокатализаторов это перспективное и экологически чистое энергетическое устройство может найти практическое применение. В таблице 1 приведены конкурентоспособные затраты на топливо и энергию, вырабатываемую на системах FC20,21,22.
Рисунок 1: Схематическое изображение данного исследования. (А) Схематическое интегрирование одного безмембранного ФК. (Б) Принцип работы H 2 O2 FC. (C) Процесс гальванического метода с предварительной обработкой на ткани из углеродного волокна, гальваническим раствором 5 мМ HAuCl4, 1 М HCl и гальванической программой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Структурная характеристика 1600 окружностей, покрытых гальваническим покрытием Au@CF. (A) Результат рентгенодифрактометрии Au@CF. (Б) Микрофотография КФ перед гальваническим покрытием. (C) Микрофотография КФ после осаждения Au. (Д,Е); (Ф,Ж); и (H,I) – результаты СЭМ для КФ до гальванического покрытия, после гальванического покрытия и после эксплуатационных испытаний, соответственно. Масштабные линейки: (D), 20 мкм; (E,G), 1 мкм; (F,H,I), 10 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Результаты микрофотографии и СЭМ Au@CF под различными гальваническими кругами. (A) Слева направо: 0, 800, 1600, 2400 и 3200 гальванических кругов Au@CF соответственно. (B-E) – это СЭМ-изображения Au@CF под 800, 1600, 2400 и 3200 гальванических кругов соответственно. Масштабные линейки: (B,D), 10 мкм; (С) — 2 мкм; (E), 3 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Характеристика характеристик ПЧ. (A) Кривые поляризации (слева) и выходной мощности (справа) с использованием различных гальванических кругов (800, 1600, 2400, 3200 кругов) в растворах pH = 1, CHP = 1 M. (B) Испытание OCP при различных концентрациях H2 O 2 (0,25 M, 0,5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) в растворах pH = 1 и с 1600 кругами, гальваническими Au@CF в течение 400 с. (C) Кривая поляризации (слева) и выходной мощности (справа) при различных концентрацияхH2O 2(0,25 М, 0,5 М, 1 М, 2М) в рН = 1 растворах и с 1600 кругами гальванического Au@CF. (D) Кривые OCP и максимальной плотности тока при различных условиях рН в диапазоне от рН = 1 до 13 в растворах 1 MH2O2 и с гальваническими кругами 1600 Au@CF. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
| Топлива | Свободная энергия (кДж/моль) | Стоимость топлива | Стоимость энергии ($/кВт) | Ссылка |
| Водород | -237 | 6.9 $/кг | 200 | 20 |
| NaBH4 | -1273 | 55 $/кг | 10.2 | 21 |
| H 2O2 | -120 | 1,8 $/тн (навалом) | 1.84 | 22 |
Таблица 1: Конкурентные затраты на топливо и стоимость энергии, вырабатываемой в системах ТЧ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Несколько параметров существенно влияют на производительность безмембранного топливного элемента с перекисью водорода, помимо pH раствора и концентрацииH2O2. Выбор материала электрода определяет электрокаталитическую активность и стабильность, в то время как площадь поверхности электрода может улучшить реакционные участки. Рабочая температура влияет на кинетику реакции, а скорость потока реагентов может определять эффективность смешивания топлива и окислителя. Концентрация любого используемого катализатора имеет решающее значение для скорости реакции, и примеси могут ингибировать или отравлять катализатор. Конструкция топливного элемента, включая расстояние между электродами и геометрию проточного канала, влияет на массоперенос и кинетику. Тип и концентрация электролита влияют на ионную проводимость, а сопротивление и конструкция внешней цепи могут изменять рабочие параметры, такие как ток и плотность мощности. Кроме того, концентрация кислорода, побочного продукта разложения H 2 O2 в присутствии специфических катализаторов, также может играть роль в работе клетки. Оптимизация этих параметров имеет важное значение для эффективности и долговечности безмембранных топливных элементовна перекиси водорода 7,8,9,10.
Исследование было сосредоточено на изготовлении трехмерного пористого электрода, адаптированного для топливных элементов на перекиси водорода (H2O2FCs), и повышении производительности топливного элемента за счет регулирования параметров раствора11,12. Успешное гальваническое нанесение Au на CF было подтверждено с помощью XRD-анализа и СЭМ-визуализации. Полученный в результате трехмерный пористый Au@CF электрод продемонстрировал высокую производительность вH2O 2 FC в оптимальных условиях раствора (pH 1, концентрация H 2 O22 M), а оптимальное соотношение производительности было достигнуто при 1600 циклах гальванического покрытия, на что указывают OCP, выходная мощность и превосходная стабильность.
Эти результаты имеют решающее значение для проектирования и разработки эффективных электродов для H 2 O2FC. Трехмерная пористая структура обеспечивает максимальную площадь контакта с топливом H2 O 2, потенциально увеличивая скорость электрохимических реакций и увеличивая выходную мощность FC. Кроме того, замечательная коррозионная стойкость Au@CF электрода позволяет предположить, что выбранные материалы обладают потенциалом для длительной и стабильной работыH2O2 FC.
Некоторые критические элементы требуют тщательного рассмотрения для дальнейшего улучшения характеристик H 2 O2FC с помощью трехмерного электрода с пористой структурой. Главным из них является изготовление пористого электрода. Надлежащая обработка поверхности и регулирование распределения пор по размерам имеют первостепенное значение, так как эти факторы напрямую влияют на электрокаталитическую эффективность электрода. Кроме того, решающее значение имеет контроль концентрацииH2O2 и рН раствора. Производительность ФК может снижаться из-за чрезмерной или недостаточной концентрацииН2О2, как это наблюдалось в экспериментах, и аналогичная тенденция наблюдалась при отклонении рН раствора от оптимального диапазона.
Для улучшения характеристик H 2 O2FC в оптимальных условиях могут потребоваться определенные модификации. Например, процесс обработки поверхности электродов может быть оптимизирован для достижения более разнообразного диапазона размеров пор, что может улучшить кинетику реакции. Когда ожидаемая выходная мощность не достигается, могут потребоваться специальные исследовательские шаги, которые могут включать точную настройку концентрации H2O2, регулировку pH и рассмотрение других параметров, включая температуру и давление, которые могут повлиять на производительность FC.
В то время как успешная разработка нового электрода и многообещающие результаты испытаний FCs прокладывают путь к потенциальному применению H2 O 2 в технологии чистой энергии, необходимы дальнейшие исследования для уточнения конструкции, селективности и площади поверхности электрода для практического применения H 2 O 2 FC.
Наблюдаемое поведение в безмембранныхН2О2 ФК подчеркивает сложную взаимосвязь между динамикой рН и концентрацией перекиси водорода. ХарактеристикиH2O2 FC зависят не только от конструкции электродов, но и от химического состава электролита. При оптимальной концентрации pH иH2O2 электрохимические реакции ускоряются, что приводит к эффективному переносу электронов и увеличению выходной мощности. Влияние рН можно объяснить его ролью в модуляции активности протонов и окислительно-восстановительного потенциала системы. Сбалансированный pH гарантирует, что электрохимические реакции как на аноде, так и на катоде протекают гладко и без каких-либо препятствий13,14. С другой стороны, концентрацияH2O2 напрямую влияет на доступность реагентов. Оптимальная концентрация обеспечивает постоянный приток молекул H 2 O2 дляучастия в окислительно-восстановительных реакциях, тем самым создавая постоянный поток электронов. Однако любое отклонение от этого равновесия, будь то несбалансированный pH или неоптимальная концентрацияH2O2, может нарушить поток электронов, что приведет к снижению производительности. Вполне вероятно, что при экстремальных уровнях рН структура или активность катализатора могут быть нарушены, или побочные реакции могут стать преобладающими. Точно так же слишком низкая или слишком высокая концентрацияH2O2может либо замедлить реакцию, либо привести к ее насыщению, соответственно. По сути, синергия между pH и концентрацией перекиси имеет решающее значение в определении эффективностиH2O2 FC. Будущие исследования могут прояснить более глубокое понимание этих параметров, потенциально открывая еще большую производительность этих устойчивых энергетических устройств.
Критические шаги
Процесс гальванического нанесения золота (Au) на углеродную ткань является краеугольным камнем в производстве трехмерных электродов. Качество, однородность и толщина золотого слоя имеют первостепенное значение, поскольку они напрямую влияют на электрохимические свойства электрода. Метод хроноамперометрии, который был выбран для этого процесса, обеспечивает последовательное и равномерное нанесение золота на ткань. Тем не менее, при определении количества циклов гальванического покрытия необходимо соблюдать тонкий баланс. Слишком большое количество циклов приводит к чрезмерному покрытию золота, что может поставить под угрозу пористую природу ткани из углеродного волокна, тем самым влияя на ее эффективность. Приготовление раствора H 2O2 является еще одним важным этапом, требующим точности. Уровень рН и концентрация раствораH2O2 играют важную роль в определении производительности ФК. В ходе исследования была выявлена прямая корреляция между этими параметрами и производительностью ФК, что подчеркивает важность тщательного приготовления раствора.
Модификации и устранение неполадок
Введение трехмерного пористого электрода явилось существенной модификацией, направленной на усиление взаимодействия между электродом и топливомH2O2. Основная цель этой инновации заключалась в том, чтобы ускорить скорость электрохимической реакции, тем самым увеличив как мощность, так и ток. Однако, несмотря на многообещающую конструкцию, процесс гальванического покрытия может потребовать дальнейших доработок, чтобы обеспечить соответствие свойств электродов желаемым результатам. Исследование подчеркнуло чувствительность FC к рН и концентрации раствора H2O2. Любые отклонения от оптимальных параметров могут привести к снижению выходной мощности или даже к нестабильности работы ПЧ. В качестве меры по устранению неполадок точная настройка этих параметров может устранить проблемы с производительностью.
Ограничения
Несмотря на достижения, нынешняя технология H 2 O2FC имеет определенные ограничения. При сравнении с другими технологиями топливных элементовH2O2 FC, как правило, демонстрируют более низкую выходную мощность и ток. Основной причиной этого является ограниченная каталитическая селективность электродов. Производительность H2 O 2 FC в значительной степени зависит от рН раствора и концентрации H 2 O 2. Такая чувствительность подразумевает, что существует относительно узкое рабочее окно, в течение которого FC может обеспечить оптимальные результаты.
Значимость по отношению к существующим методам
Безмембранная архитектураH2O 2 FC значительно отличается от обычных топливных элементов 1,2,3,4. Такой выбор конструкции позволяет эффективно обойти ряд проблем, с которыми сталкиваются традиционные FC, такие как высокие затраты, связанные с производством, и сложности, присущие их конструкции. Внедрение трехмерного электрода в это исследование меняет правила игры. Способствуя улучшенной кинетике электрохимических реакций, эта конструкция электродов обещает достижение более высокой плотности мощности для H 2 O2FC, что отличает их от обычных конструкций.
Перспективы применения методики
Помимо применения в топливных элементах, трехмерные электроды обладают более широким потенциалом. Они могут быть интегрированы в портативные энергетические системы или даже использоваться в качестве катализаторов с большой площадью поверхности. Такая универсальность может стать катализатором эволюции компактных и эффективных энергетических устройств, подходящих для различных применений. Новаторская работа поH2O2 FC имеет решающее значение в глобальном переходе от зависимости от ископаемого топлива к принятию более экологически чистых альтернативных источников энергии.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам не нужно заявлять о конфликтах.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Национальной программой исследований и разработок ключевых технологий Китая (2021YFA0715302 и 2021YFE0191800), Национальным фондом естественных наук Китая (61975035 и 52150610489) и Комиссией по науке и технологиям муниципалитета Шанхая (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 |
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. iley 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).
