Membranlösa väteperoxidbränsleceller som en lovande ren energikälla
Summary
Detta protokoll introducerar design och utvärdering av innovativa tredimensionella elektroder för väteperoxidbränsleceller, med användning av Au-elektropläterad kolfiberduk och Ni-skumelektroder. Forskningsresultaten belyser väteperoxidens potential som en lovande kandidat för hållbar energiteknik.
Abstract
I en djupgående undersökning av membranlösa väteperoxidbaserade bränsleceller (H 2 O 2 FCs) visas väteperoxid (H 2 O 2 ), en kolneutral förening, genomgå elektrokemisk nedbrytning för att producera H 2 O, O 2och elektrisk energi. De unika redoxegenskaperna hosH2O2positionerar den som en livskraftig kandidat för hållbara energitillämpningar. Den föreslagna membranlösa designen tar itu med begränsningarna hos konventionella bränsleceller, inklusive tillverkningskomplexitet och designutmaningar. En ny tredimensionell elektrod, syntetiserad via galvaniseringstekniker, introduceras. Tillverkad av Au-elektropläterad kolfiberduk i kombination med Ni-skum, visar denna elektrod förbättrad elektrokemisk reaktionskinetik, vilket leder till en ökad effekttäthet för H 2 O2FC. Bränslecellernas prestanda är intrikat kopplad till elektrolytlösningens pH-nivåer. Utöver FC-tillämpningar har sådana elektroder potential i portabla energisystem och som katalysatorer med hög ytarea. Denna studie betonar betydelsen av elektrodteknik för att optimera potentialen hos H 2 O2som en miljövänlig energikälla.
Introduction
En bränslecell är en elektrokemisk anordning som använder bränsle och oxidationsmedel för att omvandla kemikalier till elektrisk energi. FC har högre energiomvandlingseffektivitet än traditionella förbränningsmotorer eftersom de inte är bundna av Carnot Cycle1. Genom att använda bränslen som väte (H 2)2, borhydridväte (NaBH 4)3 och ammoniak (NH 3)4 har FC blivit en lovande energikälla som är miljören och kan uppnå hög prestanda, vilket ger betydande potential att minska människans beroende av fossila bränslen. FC-tekniken står dock inför specifika utmaningar. Ett vanligt problem är den interna rollen för ett protonutbytesmembran (PEM) i FC-systemet, som fungerar som ett skydd mot interna kortslutningar. Integrationen av ett elektrolytiskt membran bidrar till ökade tillverkningskostnader, internt kretsmotstånd och arkitektonisk komplexitet5. Att omvandla FC:er med ett fack till matriser med flera staplar medför dessutom ytterligare komplikationer på grund av den intrikata processen att integrera flödeskanaler, elektroder och plattor för att förbättra effekt- och strömutgångar5.
Under de senaste decennierna har samordnade ansträngningar gjorts för att ta itu med dessa membranrelaterade utmaningar och effektivisera FC-systemet. Framför allt har framväxten av membranlösa FC-konfigurationer med laminära samflöden vid låga Reynoldtal erbjudit en innovativ lösning. I sådana uppställningar fungerar gränssnittet mellan två flöden som ett “virtuellt” protonledande membran6. Laminär flödesbaserad FC (LFFC) har studerats i stor utsträckning och utnyttjar fördelarna med mikrofluidik 7,8,9,10. LFFC:er kräver dock stränga förhållanden, inklusive hög energitillförsel för pumpning av laminära bränslen/oxidanter, minskning av reaktantkorsning i fluidiska strömmar och optimering av hydrodynamiska parametrar.
Nyligen har H 2 O 2 väckt intresse som ett potentiellt bränsle och oxidationsmedel på grund av dess koldioxidneutrala natur, som ger vatten (H 2 O) och syre(O 2) under elektrooxidations- och elektroreduktionsprocesser vid elektroder11,12. H2O2kan massproduceras med hjälp av en tvåelektronreduktionsprocess eller genom en tvåelektronoxidationsprocess från vatten12. Till skillnad från andra gasformiga bränslen kan flytande H 2 O2-bränsle integreras i befintligbensininfrastruktur 5. Dessutom gör H 2 O2 disproportioneringsreaktionen det möjligt att tjäna H 2 O 2som både bränsle och oxidationsmedel. Figur 1A visar en schematisk struktur av en enkel H 2 O2FC:s arkitektur. I jämförelse med traditionella FC 2,3,4 utnyttjar H 2 O 2FC fördelarna med enhetens “enkelhet”. Yamasaki et al. demonstrerade membranlösaH2O2FCs, som spelar rollen som både bränsle och oxidationsmedel. Den beskrivna mekanismen för elektrisk energiproduktion har inspirerat forskarsamhällen att fortsätta denna forskningsinriktning6. Därefter har elektrooxidations- och elektroreduktionsmekanismer medH2O2som bränsle och oxidationsmedel representerats av följande reaktioner13,14
I det sura mediet:
Anod: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e–; Ea1 = 0,68 V vs. HON
Katod: H 2 O 2 + 2H+ + 2e– → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V jämfört med HON
Totalt: 2 h 2 o 2 → 2 h 2 o + o2
I de grundläggande medierna:
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
Anod: HO 2– + OH- → O 2 + H2 O + 2e–; Eb1 = 0,15 V jämfört med HON
Katod: HO 2- + H2O + 2e– → 3OH-; Eb2 = 0,87 V jämfört med HON
Totalt: 2 h 2 o 2 → 2 h 2 o + o2
Figur 1B illustrerar arbetsprincipen för H 2 O 2 FCs. H 2 O 2donerar elektroner vid anoden och accepterar elektroner vid katoden. Elektronöverföring mellan anod och katod sker genom en extern krets, vilket resulterar i generering av elektricitet. Den teoretiska öppna kretspotentialen (OCP) för H 2O2 FC är 1,09 V i sura medier och 0,62 V i basiska medier13. Många experimentella resultat har dock visat lägre värden, upp till 0,75 V i sura medier och 0,35 V i basiska medier, jämfört med den teoretiska OCP. Denna observation kan hänföras till närvaron av en blandad potential13. Dessutom kan effekt- och strömutgången för H 2 O 2 FC inte konkurrera med de nämnda FC 2,3,4 på grund av elektrodernas begränsade katalytiska selektivitet. Det är dock anmärkningsvärt att den nuvarande H 2 O2FC-tekniken kan överträffa H2, NaBH4 och NH3 FC när det gäller den totala kostnaden, vilket visas i tabell 1. Således är den förbättrade katalytiska selektiviteten hos elektroder för H2O2-elektrooxidation och elektroreduktion fortfarande en betydande utmaning för dessa enheter.
I denna studie introducerar vi en tredimensionell elektrod med porös struktur för att förbättra interaktionen mellan elektroden och H2O2-bränslet, i syfte att öka reaktionshastigheten och förbättra effekt och strömutgång. Vi undersöker också effekten av lösningens pH och H 2 O2koncentration på FC:s prestanda. Elektrodparet som användes i denna studie består av en guldpläterad kolfiberduk och nickelskum. Strukturell karakterisering utförs med hjälp av röntgendiffraktion (XRD) och svepelektronmikroskopi (SEM), med öppen kretspotential (OCP), polarisation och effektutgångskurvor som de primära parametrarna för FC-testning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flera parametrar påverkar signifikant prestandan hos en membranlös väteperoxidbränslecell utöver lösningens pH ochH2O2-koncentration. Valet av elektrodmaterial dikterar elektrokatalytisk aktivitet och stabilitet, medan elektrodens yta kan förbättra reaktionsställena. Driftstemperaturen påverkar reaktionskinetiken, och flödeshastigheten för reaktanter kan bestämma blandningseffektiviteten hos bränsle och oxidationsmedel. Koncentrationen av en katalysator som används är avgörande för…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Kinas nationella FoU-program för nyckelteknik (2021YFA0715302 och 2021YFE0191800), Kinas nationella naturvetenskapliga stiftelse (61975035 och 52150610489) och Shanghais kommuns vetenskaps- och teknikkommission (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).
