Les piles à combustible au peroxyde d’hydrogène sans membrane, une source d’énergie propre prometteuse
Summary
Ce protocole introduit la conception et l’évaluation d’électrodes tridimensionnelles innovantes pour les piles à combustible au peroxyde d’hydrogène, en utilisant un tissu en fibre de carbone électrolytique au or et des électrodes en mousse de ni. Les résultats de la recherche mettent en évidence le potentiel du peroxyde d’hydrogène en tant que candidat prometteur pour les technologies énergétiques durables.
Abstract
Dans une étude approfondie des piles à combustible à base de peroxyde d’hydrogène sans membrane (H 2 O 2 FC), il a été démontré que le peroxyde d’hydrogène (H 2 O 2), un composé neutre en carbone, subit une décomposition électrochimique pour produire de l’H 2 O, O 2et de l’énergie électrique. Les propriétés d’oxydoréduction uniques de H 2 O2le positionnent comme un candidat viable pour les applications énergétiques durables. La conception sans membrane proposée tient compte des limites des piles à combustible conventionnelles, notamment des complexités de fabrication et des défis de conception. Une nouvelle électrode tridimensionnelle, synthétisée par des techniques de galvanoplastie, est introduite. Construite à partir d’un tissu en fibre de carbone électrolytique au combiné à de la mousse Ni, cette électrode présente une cinétique de réaction électrochimique améliorée, ce qui entraîne une densité de puissance accrue pour les FC H 2 O2. Les performances des piles à combustible sont intimement liées aux niveaux de pH de la solution électrolytique. Au-delà des applications FC, ces électrodes détiennent un potentiel dans les systèmes d’énergie portables et en tant que catalyseurs à grande surface. Cette étude souligne l’importance de l’ingénierie des électrodes dans l’optimisation du potentiel de H 2 O2en tant que source d’énergie respectueuse de l’environnement.
Introduction
Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui utilise du carburant et de l’oxydant pour convertir les produits chimiques en énergie électrique. Les FC ont une efficacité de conversion d’énergie plus élevée que les moteurs à combustion traditionnels car ils ne sont pas liés par le cycle de Carnot1. En utilisant des carburants tels que l’hydrogène (H 2)2, le borohydrure-hydrogène (NaBH 4)3 et l’ammoniac (NH 3)4, les FC sont devenus une source d’énergie prometteuse qui est propre sur le plan environnemental et peut atteindre des performances élevées, offrant un potentiel important pour réduire la dépendance humaine aux combustibles fossiles. Cependant, la technologie FC est confrontée à des défis spécifiques. L’un des problèmes les plus courants est le rôle interne d’une membrane échangeuse de protons (PEM) dans le système FC, qui agit comme une protection contre les courts-circuits internes. L’intégration d’une membrane électrolytique contribue à l’augmentation des coûts de fabrication, de la résistance du circuit interne et de la complexité architecturale5. De plus, la transformation de FC à compartiment unique en réseaux multi-piles introduit des complications supplémentaires en raison du processus complexe d’intégration des canaux d’écoulement, des électrodes et des plaques pour améliorer les sorties de puissance et de courant5.
Au cours des dernières décennies, des efforts concertés ont été déployés pour relever ces défis liés aux membranes et rationaliser le système FC. Notamment, l’émergence de configurations FC sans membrane utilisant des co-flux laminaires à faible nombre de Reynold a offert une solution innovante. Dans de telles configurations, l’interface entre deux écoulements fonctionne comme une membrane conductrice de protons« virtuelle » 6. Les FC à écoulement laminaire (LFFC) ont été largement étudiés, tirant parti des avantages de la microfluidique 7,8,9,10. Cependant, les LFFC nécessitent des conditions strictes, notamment un apport d’énergie élevé pour le pompage de carburants/oxydants laminaires, l’atténuation du croisement des réactifs dans les flux fluidiques et l’optimisation des paramètres hydrodynamiques.
Récemment, H 2 O 2 a suscité de l’intérêt en tant que combustible et oxydant potentiel en raison de sa nature neutre en carbone, produisant de l’eau (H 2 O) et de l’oxygène (O2) pendant les processus d’électrooxydation et d’électroréduction aux électrodes11,12. H2 O2 peut être produit en masse à l’aide d’un procédé de réduction à deux électrons ou d’un procédé d’oxydation à deux électrons à partir de l’eau12. Par la suite, contrairement à d’autres combustibles gazeux, le carburant liquideH2O2 peut être intégré dans l’infrastructure d’essence existante 5. De plus, la réaction de disproportion H2O 2 permet de servir H 2 O2à la fois comme combustible et comme oxydant. La figure 1A montre une structure schématique de l’architecture d’un FC H 2 O2facile. Par rapport aux FC traditionnels 2,3,4, le H 2 O 2FC utilise les avantages de la « simplicité » de l’appareil. Yamasaki et al. ont démontré que les FCH 2 O2 sans membrane jouent à la fois le rôle de carburant et d’oxydant. Le mécanisme décrit de la production d’énergie électrique a incité les communautés de recherche à poursuivre dans cette direction de recherche6. Par la suite, les mécanismes d’électrooxydation et d’électroréduction utilisant H 2 O2comme combustible et oxydant ont été représentés par les réactions suivantes13,14
En milieu acide :
Anode : H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2E– ; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Cathode : H 2 O 2 + 2H+ + 2e– → 2H2 O ; Ea2 = 1,77 V vs. ELLE
Total : 2 H 2 O 2 → 2H 2 O +O 2
Dans les médias de base :
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
Anode : HO 2- + OH- → O 2 + H2O + 2e– ; Eb1 = 0,15 V vs. ELLE
Cathode : HO 2– + H2O + 2e- → 3OH– ; Eb2 = 0,87 V vs. ELLE
Total : 2 H 2 O 2 → 2H 2 O +O 2
La figure 1B illustre le principe de fonctionnement des FC H 2 O2. H 2 O2donne des électrons à l’anode et accepte des électrons à la cathode. Le transfert d’électrons entre l’anode et la cathode se fait par l’intermédiaire d’un circuit externe, ce qui entraîne la production d’électricité. Le potentiel théorique en circuit ouvert (OCP) deH 2 O2 FC est de 1,09 V dans les milieux acides et de 0,62 V dans les milieux basiques13. Cependant, de nombreux résultats expérimentaux ont montré des valeurs inférieures, atteignant jusqu’à 0,75 V dans les milieux acides et 0,35 V dans les milieux basiques, par rapport à l’OCP théorique. Cette observation peut être attribuée à la présence d’un potentiel mixte13. De plus, la puissance et le courant de sortie des FC H 2 O 2 ne peuvent pas rivaliser avec les FC mentionnés 2,3,4 en raison de la sélectivité catalytique limitée des électrodes. Néanmoins, il convient de noter que la technologie actuelle des FC H 2 O 2 peut surpasser les FC H2, NaBH4 et NH3 en termes de coût global, comme le montre le tableau 1. Ainsi, l’amélioration de la sélectivité catalytique desélectrodes pour l’électrooxydation et l’électroréduction de H 2 O2 reste un défi important pour ces dispositifs.
Dans cette étude, nous introduisons une électrode à structure poreuse tridimensionnelle pour améliorer l’interaction entre l’électrode et le combustible H 2 O2, dans le but d’augmenter la vitesse de réaction et d’améliorer la puissance et le courant de sortie. Nous étudions également l’impact du pH de la solution et de la concentration en H 2 O2sur les performances du FC. La paire d’électrodes utilisée dans cette étude comprend un tissu en fibre de carbone galvanisé à l’or et une mousse de nickel. La caractérisation structurale est effectuée à l’aide de la diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à balayage (MEB), les courbes de potentiel en circuit ouvert (OCP), de polarisation et de puissance de sortie servant de paramètres principaux pour les tests FC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plusieurs paramètres influencent significativement les performances d’une pile à combustible sans membrane au peroxyde d’hydrogène au-delà du pH de la solution et de la concentration en H 2 O2. Le choix du matériau de l’électrode dicte l’activité électrocatalytique et la stabilité, tandis que la surface de l’électrode peut améliorer les sites de réaction. La température de fonctionnement affecte la cinétique de réaction, et le débit des réactifs peut déterminer l’effica…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été soutenus par le Programme national de recherche et développement sur les technologies clés de la Chine (2021YFA0715302 et 2021YFE0191800), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (61975035 et 52150610489) et la Commission des sciences et de la technologie de la municipalité de Shanghai (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 |
Riferimenti
- 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).
