एक आशाजनक स्वच्छ ऊर्जा स्रोत के रूप में झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाएं
Summary
यह प्रोटोकॉल एयू-इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़े और नी-फोम इलेक्ट्रोड का उपयोग करके हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन कोशिकाओं के लिए अभिनव त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड के डिजाइन और मूल्यांकन का परिचय देता है। शोध के निष्कर्ष टिकाऊ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में हाइड्रोजन पेरोक्साइड की क्षमता को उजागर करते हैं।
Abstract
झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड-आधारित ईंधन कोशिकाओं (एच 2 ओ 2 एफसी) की गहन जांच में, हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच 2 ओ 2), एक कार्बन-तटस्थ यौगिक, एच 2 ओ, ओ 2और विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करनेके लिए विद्युत रासायनिक अपघटन से गुजरने के लिए प्रदर्शित किया गया है। एच 2 ओ2के अद्वितीय रेडॉक्स गुण इसे स्थायी ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार के रूप में स्थान देते हैं। प्रस्तावित झिल्ली रहित डिजाइन पारंपरिक ईंधन कोशिकाओं की सीमाओं को संबोधित करता है, जिसमें निर्माण जटिलताओं और डिजाइन चुनौतियां शामिल हैं। इलेक्ट्रोप्लेटिंग तकनीकों के माध्यम से संश्लेषित एक नया त्रि-आयामी इलेक्ट्रोड पेश किया गया है। नी-फोम के साथ संयुक्त एयू-इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़े से निर्मित, यह इलेक्ट्रोड उन्नत इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया कैनेटीक्स को दर्शाता है, जिससे एच 2 ओ2एफसी के लिए बिजली घनत्व में वृद्धि होती है। ईंधन कोशिकाओं का प्रदर्शन इलेक्ट्रोलाइट समाधान के पीएच स्तर से जटिल रूप से जुड़ा हुआ है। एफसी अनुप्रयोगों से परे, ऐसे इलेक्ट्रोड पोर्टेबल ऊर्जा प्रणालियों में और उच्च सतह क्षेत्र उत्प्रेरक के रूप में क्षमता रखते हैं। यह अध्ययन पर्यावरण के अनुकूल ऊर्जा स्रोत के रूप में एच 2 ओ2की क्षमता को अनुकूलित करने में इलेक्ट्रोड इंजीनियरिंग के महत्व पर जोर देता है।
Introduction
एक ईंधन सेल एक विद्युत रासायनिक उपकरण है जो रसायनों को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए ईंधन और ऑक्सीडेंट का उपयोग करता है। एफसी में पारंपरिक दहन इंजन ों की तुलना में उच्च ऊर्जा रूपांतरण दक्षता होती है क्योंकि वे कार्नोट चक्र1 से बंधे नहीं होते हैं। हाइड्रोजन (एच 2)2, बोरोहाइड्राइड-हाइड्रोजन (एनएबीएच 4)3, और अमोनिया (एनएच 3)4 जैसे ईंधन का उपयोग करके, एफसी एक आशाजनक ऊर्जा स्रोत बन गए हैं जो पर्यावरणीय रूप से स्वच्छ है और उच्च प्रदर्शन प्राप्त कर सकता है, जीवाश्म ईंधन पर मानव निर्भरता को कम करने की महत्वपूर्ण क्षमता प्रदान करता है। हालांकि, एफसी प्रौद्योगिकी विशिष्ट चुनौतियों का सामना करती है। एक प्रचलित मुद्दा एफसी प्रणाली में प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएम) की आंतरिक भूमिका है, जो आंतरिक शॉर्ट सर्किट के खिलाफ सुरक्षा के रूप में कार्य करता है। इलेक्ट्रोलाइटिक झिल्ली का एकीकरण निर्माण लागत, आंतरिक सर्किट प्रतिरोध और वास्तुशिल्प जटिलता में वृद्धि में योगदान देताहै। इसके अलावा, सिंगल-कम्पार्टमेंट एफसी को मल्टी-स्टैक सरणी में बदलने से बिजली और वर्तमान आउटपुट को बढ़ाने के लिए प्रवाह चैनलों, इलेक्ट्रोड और प्लेटों को एकीकृत करने की जटिल प्रक्रिया के कारण अतिरिक्तजटिलताओं का परिचय मिलता है।
पिछले दशकों में, इन झिल्ली से संबंधित चुनौतियों का समाधान करने और एफसी प्रणाली को सुव्यवस्थित करने के लिए ठोस प्रयास किए गए हैं। विशेष रूप से, कम रेनॉल्ड संख्याओं पर लैमिनर सह-प्रवाह का उपयोग करके झिल्ली रहित एफसी कॉन्फ़िगरेशन के उद्भव ने एक अभिनव समाधान की पेशकश की है। ऐसे सेटअप में, दो प्रवाहों के बीच का इंटरफ़ेस “आभासी” प्रोटॉन-संचालन झिल्ली6 के रूप में कार्य करता है। लामिनार प्रवाह-आधारित एफसी (एलएफएफसी) का व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है, जो माइक्रोफ्लुइडिक्स 7,8,9,10 के लाभों का लाभ उठाता है। हालांकि, एलएफएफसी को कठोर शर्तों की आवश्यकता होती है, जिसमें लैमिनर ईंधन / ऑक्सीडेंट पंप करने के लिए उच्च ऊर्जा इनपुट, तरल धाराओं में अभिकारक क्रॉसओवर का शमन और हाइड्रोडायनामिक मापदंडों का अनुकूलन शामिल है।
हाल ही में, एच 2 ओ 2 ने अपनी कार्बन-तटस्थ प्रकृति के कारण संभावित ईंधन और ऑक्सीडेंट के रूप में रुचि प्राप्त की है, इलेक्ट्रोड11,12 पर इलेक्ट्रोऑक्सीडेशन और इलेक्ट्रोरिडक्शन प्रक्रियाओं के दौरान पानी (एच 2 ओ) और ऑक्सीजन (ओ2) उत्पन्न करता है। एच2 ओ2 को दो-इलेक्ट्रॉन कमी प्रक्रिया का उपयोग करके या पानी से दो-इलेक्ट्रॉन ऑक्सीकरण प्रक्रिया द्वारा बड़े पैमाने पर उत्पादित किया जा सकताहै। इसके बाद, अन्य गैसीय ईंधन के विपरीत, तरल एच 2 ओ2ईंधन को मौजूदा गैसोलीन बुनियादी ढांचे में एकीकृत किया जा सकता है। इसके अलावा, एच 2 ओ 2 असमान प्रतिक्रिया ईंधन और ऑक्सीडेंट दोनों के रूप में एच2 ओ2 की सेवा करना संभव बनाती है। चित्रा 1 ए एक सरल एच 2 ओ2एफसी की वास्तुकला की एक योजनाबद्ध संरचना दिखाता है। पारंपरिक एफसी 2,3,4 की तुलना में, एच 2 ओ2 एफसी डिवाइस “सादगी” के फायदे का उपयोग करता है। यामासाकी एट अल ने झिल्लीरहितएच 2 ओ2 एफसी का प्रदर्शन किया, जो ईंधन और ऑक्सीडेंट दोनों की भूमिका निभा रहा था। विद्युत ऊर्जा उत्पादन के वर्णित तंत्र ने अनुसंधान समुदायों को इस शोध दिशा को जारी रखने के लिए प्रेरित कियाहै। इसके बाद, ईंधन और ऑक्सीडेंट के रूप में एच2 ओ2 का उपयोग करके इलेक्ट्रोऑक्सीडेशन और इलेक्ट्रोरिडक्शन तंत्र को निम्नलिखित प्रतिक्रियाओं13,14 द्वारा दर्शाया गया है।
अम्लीय मीडिया में:
एनोड: एच 2 ओ 2 → ओ 2 + 2 एच + +2ई–; Ea1 = 0.68 V vs.
कैथोड: एच 2 ओ 2 + 2 एच + + 2 ई– → 2 एच2 ओ; Ea2 = 1.77 V बनाम वहस्त्री
कुल: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
मूल मीडिया में:
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
एनोड: एचओ 2- + ओएच- → ओ 2 + एच 2 ओ +2 ई–; Eb1 = 0.15 V बनाम। वहस्त्री
कैथोड: एचओ 2- + एच 2 ओ +2ई- → 3ओएच–; Eb2 = 0.87 V बनाम वहस्त्री
कुल: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
चित्र 1B H 2 O 2 FCs के कार्य सिद्धांत को दर्शाता है। H 2 O2एनोड पर इलेक्ट्रॉनों को दान करता है और कैथोड पर इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करता है। एनोड और कैथोड के बीच इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण एक बाहरी सर्किट के माध्यम से होता है, जिसके परिणामस्वरूप बिजली का उत्पादन होता है। एच 2 ओ2एफसी की सैद्धांतिक ओपन सर्किट क्षमता (ओसीपी) अम्लीय मीडिया में 1.09 वी और बुनियादी मीडिया13 में 0.62 वी है। हालांकि, कई प्रयोगात्मक परिणामों ने सैद्धांतिक ओसीपी की तुलना में अम्लीय मीडिया में 0.75 वी और बुनियादी मीडिया में 0.35 वी तक पहुंचने वाले कम मूल्यों को दिखाया है। इस अवलोकन को मिश्रित क्षमता13 की उपस्थिति के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, एच 2 ओ 2 एफसी की शक्ति और वर्तमान उत्पादन इलेक्ट्रोड की सीमित उत्प्रेरक चयनात्मकता के कारण उल्लिखित एफसी 2,3,4 के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकते हैं। फिर भी, यह उल्लेखनीय है कि वर्तमान एच 2 ओ 2 एफसी तकनीक समग्र लागत के मामले में एच2, एनएबीएच4 और एनएच3 एफसी से बेहतर प्रदर्शन कर सकती है, जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है। इस प्रकार, एच 2 ओ2इलेक्ट्रोऑक्सीडेशन और इलेक्ट्रोरिडक्शन के लिए इलेक्ट्रोड की बढ़ी हुई उत्प्रेरक चयनात्मकता इन उपकरणों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है।
इस अध्ययन में, हम इलेक्ट्रोड और एच 2 ओ2ईंधन के बीच बातचीत में सुधार करने के लिए एक त्रि-आयामी छिद्रपूर्ण संरचना इलेक्ट्रोड पेश करते हैं, जिसका उद्देश्य प्रतिक्रिया दर को बढ़ाना और शक्ति और वर्तमान उत्पादन को बढ़ाना है। हम एफसी के प्रदर्शन पर समाधान पीएच और एच 2 ओ2एकाग्रता के प्रभाव की भी जांच करते हैं। इस अध्ययन में उपयोग की जाने वाली इलेक्ट्रोड जोड़ी में एक गोल्ड-इलेक्ट्रोप्लेटेड कार्बन फाइबर कपड़ा और निकल फोम शामिल हैं। एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग करके संरचनात्मक लक्षण वर्णन किया जाता है, जिसमें ओपन सर्किट पोटेंशियल (ओसीपी), ध्रुवीकरण और पावर आउटपुट कर्व्स एफसी परीक्षण के लिए प्राथमिक मापदंडों के रूप में कार्य करते हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
कई पैरामीटर समाधान पीएच और एच 2 ओ2एकाग्रता से परे झिल्ली रहित हाइड्रोजन पेरोक्साइड ईंधन सेल के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। इलेक्ट्रोड सामग्री की पसंद इलेक्ट्रोकैटेलिटि?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को चीन के राष्ट्रीय कुंजी प्रौद्योगिकी अनुसंधान एवं विकास कार्यक्रम (2021YFA0715302 और 2021YFE0191800), चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (61975035 और 52150610489), और शंघाई नगर पालिका के विज्ञान और प्रौद्योगिकी आयोग (22ZR1405000) द्वारा समर्थित किया गया था।
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 |
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