Celle a combustibile a perossido di idrogeno senza membrana come promettente fonte di energia pulita
Summary
Questo protocollo introduce la progettazione e la valutazione di elettrodi tridimensionali innovativi per celle a combustibile a perossido di idrogeno, utilizzando tessuto in fibra di carbonio elettrolitico Au ed elettrodi in schiuma Ni. I risultati della ricerca evidenziano il potenziale del perossido di idrogeno come candidato promettente per le tecnologie energetiche sostenibili.
Abstract
In un’indagine approfondita sulle celle a combustibile a base di perossido di idrogeno senza membrana (H 2 O 2 FC), è stato dimostrato che il perossido di idrogeno (H 2 O 2 ), un composto neutro dal punto di vista delle emissioni di carbonio, subisce una decomposizione elettrochimica per produrre H 2 O, O 2ed energia elettrica. Le proprietà redox uniche di H2 O2 lo posizionano come un valido candidato per applicazioni energetiche sostenibili. Il design senza membrana proposto affronta i limiti delle celle a combustibile convenzionali, comprese le complessità di fabbricazione e le sfide di progettazione. Viene introdotto un nuovo elettrodo tridimensionale, sintetizzato tramite tecniche galvaniche. Costruito con un tessuto in fibra di carbonio elettrolitico combinato con schiuma Ni, questo elettrodo mostra una cinetica di reazione elettrochimica migliorata, che porta a una maggiore densità di potenza per H2 O2 FC. Le prestazioni delle celle a combustibile sono strettamente legate ai livelli di pH della soluzione elettrolitica. Al di là delle applicazioni FC, tali elettrodi hanno un potenziale nei sistemi energetici portatili e come catalizzatori ad alta superficie. Questo studio sottolinea l’importanza dell’ingegneria degli elettrodi nell’ottimizzazione del potenziale diH 2 O2 come fonte di energia rispettosa dell’ambiente.
Introduction
Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che utilizza carburante e ossidante per convertire le sostanze chimiche in energia elettrica. I FC hanno una maggiore efficienza di conversione dell’energia rispetto ai tradizionali motori a combustione poiché non sono vincolati dal ciclo di Carnot1. Utilizzando combustibili come l’idrogeno (H 2) 2, il boroidruro di idrogeno (NaBH 4) 3 e l’ammoniaca (NH3 ) 4, le FC sono diventate una promettente fonte di energia pulita dal punto di vista ambientale e in grado di raggiungere prestazioni elevate, offrendo un potenziale significativo per ridurre la dipendenza umana dai combustibili fossili. Tuttavia, la tecnologia FC deve affrontare sfide specifiche. Un problema prevalente è il ruolo interno di una membrana a scambio protonico (PEM) nel sistema FC, che funge da protezione contro i cortocircuiti interni. L’integrazione di una membrana elettrolitica contribuisce ad aumentare i costi di fabbricazione, la resistenza del circuito interno e la complessità architettonica5. Inoltre, la trasformazione di FC a compartimento singolo in array multi-stack introduce ulteriori complicazioni dovute all’intricato processo di integrazione di canali di flusso, elettrodi e piastre per migliorare le uscite di potenza e corrente5.
Negli ultimi decenni, sono stati compiuti sforzi concertati per affrontare queste sfide legate alla membrana e semplificare il sistema FC. In particolare, l’emergere di configurazioni FC senza membrana che utilizzano co-flussi laminari a bassi numeri di Reynold ha offerto una soluzione innovativa. In tali configurazioni, l’interfaccia tra due flussi funziona come una membrana “virtuale” a conduzione protonica6. Le FC basate sul flusso laminare (LFFC) sono state ampiamente studiate, sfruttando i vantaggi della microfluidica 7,8,9,10. Tuttavia, gli LFFC richiedono condizioni rigorose, tra cui un elevato apporto di energia per il pompaggio di combustibili laminari/ossidanti, la mitigazione del crossover dei reagenti nei flussi fluidici e l’ottimizzazione dei parametri idrodinamici.
Recentemente, l’H 2 O 2 ha guadagnato interesse come potenziale combustibile e ossidante grazie alla sua natura neutrale dal punto di vista delle emissioni di carbonio, producendo acqua (H 2 O) e ossigeno (O 2) durante i processi di elettroossidazione ed elettroriduzione agli elettrodi11,12. H2 O2 può essere prodotto in serie utilizzando un processo di riduzione a due elettroni o mediante un processo di ossidazione a due elettroni dall’acqua12. Successivamente, a differenza di altri combustibili gassosi, il combustibile liquido H 2 O2può essere integrato nell’infrastruttura di benzina esistente 5. Inoltre, la reazione didisproporzione dell’H 2 O 2 consente di servire H 2 O 2sia come combustibile che come ossidante. La Figura 1A mostra una struttura schematica dell’architettura di un semplice H 2 O2FC. Rispetto ai tradizionali FC 2,3,4, l’H 2 O 2FC sfrutta i vantaggi della “semplicità” del dispositivo. Yamasaki et al. hanno dimostrato che H 2O2 FC senza membrana, svolgono sia il ruolo di combustibile che di ossidante. Il meccanismo descritto della generazione di energia elettrica ha ispirato le comunità di ricerca a continuare questa direzionedi ricerca 6. Successivamente, i meccanismi di elettroossidazione ed elettroriduzione che utilizzano H 2O2 come combustibile e ossidante sono stati rappresentati dalle seguenti reazioni13,14
Nei mezzi acidi:
Anodo: H2 O 2 → O2 + 2H+ + 2e–; Ea1 = 0.68 V vs. LEI
Catodo: H 2 O 2 + 2H+ + 2e– → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V rispetto a LEI
Totale: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Nei media di base:
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
Anodo: HO 2– + OH- → O 2 + H2 O + 2e–; Eb1 = 0,15 V vs. LEI
Catodo: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH–; Eb2 = 0,87 V vs. LEI
Totale: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
La Figura 1B illustra il principio di funzionamento delle FC H 2 O 2. H 2 O2 dona elettroni all’anodo e accetta elettroni al catodo. Il trasferimento di elettroni tra l’anodo e il catodo avviene attraverso un circuito esterno, con conseguente generazione di elettricità. Il potenziale teorico a circuito aperto (OCP)di H 2 O2 FC è di 1,09 V in mezzi acidi e di 0,62 V in mezzi basici13. Tuttavia, numerosi risultati sperimentali hanno mostrato valori più bassi, raggiungendo fino a 0,75 V in mezzi acidi e 0,35 V in mezzi basici, rispetto all’OCP teorico. Questa osservazione può essere attribuita alla presenza di un potenziale misto13. Inoltre, la potenza e la corrente in uscita delle FC H 2 O 2 non possono competere con le FC 2,3,4 menzionate a causa della limitata selettività catalitica degli elettrodi. Tuttavia, è interessante notare che l’attualetecnologia H 2 O 2 FC può superare le prestazioni di H2, NaBH4 e NH3 FC in termini di costo complessivo, come mostrato nella Tabella 1. Pertanto, la maggiore selettività catalitica degli elettrodi perl’elettroossidazione e l’elettroriduzione di H 2 O2 rimane una sfida significativa per questi dispositivi.
In questo studio, introduciamo un elettrodo a struttura porosa tridimensionale per migliorare l’interazione tra l’elettrodo e il combustibile H 2 O2, con l’obiettivo di aumentare la velocità di reazione e migliorare la potenza e la corrente in uscita. Studiamo anche l’impatto del pH della soluzione e della concentrazione di H 2 O2sulle prestazioni del FC. La coppia di elettrodi utilizzata in questo studio comprende un panno in fibra di carbonio elettroplaccato in oro e schiuma di nichel. La caratterizzazione strutturale viene condotta utilizzando la diffrazione a raggi X (XRD) e la microscopia elettronica a scansione (SEM), con il potenziale a circuito aperto (OCP), la polarizzazione e le curve di potenza in uscita che fungono da parametri primari per i test FC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diversi parametri influenzano in modo significativo le prestazioni di una cella a combustibile a perossido di idrogeno senza membrana oltre il pH della soluzione e la concentrazione di H 2 O2. La scelta del materiale dell’elettrodo determina l’attività elettrocatalitica e la stabilità, mentre la superficie dell’elettrodo può migliorare i siti di reazione. La temperatura di esercizio influisce sulla cinetica di reazione e la portata dei reagenti può determinare l’efficienza di miscelazione del ca…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal National Key Technologies R&D Program of China (2021YFA0715302 e 2021YFE0191800), dalla National Natural Science Foundation of China (61975035 e 52150610489) e dalla Science and Technology Commission della municipalità di 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 |
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