Безмембранные топливные элементы на основе перекиси водорода как перспективный источник чистой энергии
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.
Protocol
Representative Results
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 пове?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
