Pilas de combustible de peróxido de hidrógeno sin membrana como fuente prometedora de energía limpia
Summary
Este protocolo introduce el diseño y la evaluación de electrodos tridimensionales innovadores para pilas de combustible de peróxido de hidrógeno, utilizando tela de fibra de carbono galvanizada con Au y electrodos de espuma de Ni. Los resultados de la investigación destacan el potencial del peróxido de hidrógeno como un candidato prometedor para las tecnologías energéticas sostenibles.
Abstract
En una investigación en profundidad de pilas de combustible basadas en peróxido de hidrógeno sin membrana (H 2 O 2 FC), se demuestra que el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2), un compuesto neutro en carbono, se descompone electroquímicamente para producirH2O,O2 y energía eléctrica. Las propiedades redox únicas delH2O2lo posicionan como un candidato viable para aplicaciones de energía sostenible. El diseño propuesto sin membranas aborda las limitaciones de las pilas de combustible convencionales, incluidas las complejidades de fabricación y los desafíos de diseño. Se presenta un novedoso electrodo tridimensional, sintetizado mediante técnicas de galvanoplastia. Construido con tela de fibra de carbono galvanizada con Au combinada con espuma de Ni, este electrodo presenta una cinética de reacción electroquímica mejorada, lo que conduce a una mayor densidad de potenciapara H 2 O2 FC. El rendimiento de las pilas de combustible está estrechamente relacionado con los niveles de pH de la solución electrolítica. Más allá de las aplicaciones de FC, estos electrodos tienen potencial en sistemas de energía portátiles y como catalizadores de gran superficie. Este estudio enfatiza la importancia de la ingeniería de electrodos en la optimización del potencial deH2O2como fuente de energía respetuosa con el medio ambiente.
Introduction
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que utiliza combustible y oxidante para convertir los productos químicos en energía eléctrica. Los FC tienen una mayor eficiencia de conversión de energía que los motores de combustión tradicionales, ya que no están sujetos al ciclo1 de Carnot. Al utilizar combustibles como el hidrógeno (H2)2, el borohidruro de hidrógeno (NaBH 4)3 y el amoníaco (NH 3)4, los FCs se han convertido en una fuente de energía prometedora que es ambientalmente limpia y puede lograr un alto rendimiento, ofreciendo un potencial significativo para reducir la dependencia humana de los combustibles fósiles. Sin embargo, la tecnología FC se enfrenta a retos específicos. Un problema frecuente es el papel interno de una membrana de intercambio de protones (PEM) en el sistema FC, que actúa como una protección contra cortocircuitos internos. La integración de una membrana electrolítica contribuye al aumento de los costos de fabricación, la resistencia del circuito interno y la complejidad arquitectónica5. Además, la transformación de FC de un solo compartimento en matrices de varias pilas presenta complicaciones adicionales debido al intrincado proceso de integración de canales de flujo, electrodos y placas para mejorar las salidas de potencia y corriente5.
En las últimas décadas, se han realizado esfuerzos concertados para abordar estos desafíos relacionados con las membranas y racionalizar el sistema de CF. En particular, la aparición de configuraciones de FC sin membrana que utilizan coflujos laminares a números de Reynold bajos ha ofrecido una solución innovadora. En tales configuraciones, la interfaz entre dos flujos funciona como una membrana conductora de protones “virtual”6. Los FC basados en flujo laminar (LFFC) han sido ampliamente estudiados, aprovechando los beneficios de la microfluídica 7,8,9,10. Sin embargo, los LFFC requieren condiciones estrictas, incluido un alto aporte de energía para bombear combustibles laminares/oxidantes, mitigación del cruce de reactivos en corrientes fluídicas y optimización de los parámetros hidrodinámicos.
Recientemente, el H2O2 ha ganado interés como combustible potencial y oxidante debido a su naturaleza neutra en carbono, produciendo agua (H2O) y oxígeno (O2) durante los procesos de electrooxidación y electrorreducción en los electrodos11,12. El H2 O2 puede producirse en masa mediante un proceso de reducción de dos electrones o mediante un proceso de oxidación de dos electrones a partir de agua12. Posteriormente, a diferencia de otros combustibles gaseosos, el combustible líquido H2 O2 puede integrarse en la infraestructura de gasolina existente 5. Además, la reacción dedesproporción de H 2 O 2 permite servir H 2 O 2como combustible y oxidante. La Figura 1A muestra una estructura esquemática de la arquitectura de un FC fácilde H 2 O2. En comparación con los FC tradicionales 2,3,4, el H 2 O 2FC utiliza las ventajas de la “simplicidad” del dispositivo. Yamasaki et al. demostraron los FC de H2O2sin membrana, que desempeñan el papel de combustible y oxidante. El mecanismo descrito de generación de energía eléctrica ha inspirado a las comunidades de investigación a continuar con esta dirección de investigación6. Posteriormente, los mecanismos de electrooxidación y electrorreducción utilizando H2O2como combustible y oxidante han sido representados por las siguientes reacciones13,14
En los medios ácidos:
Ánodo: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e–; Ea1 = 0.68 V vs. SHE
Cátodo: H 2 O 2 + 2H+ + 2E– → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. ELLA
Total: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O2
En los medios básicos:
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
Ánodo: HO 2- + OH- → O 2 + H2 O + 2e–; Eb1 = 0,15 V vs. ELLA
Cátodo: HO 2– + H2O + 2e- → 3OH–; Eb2 = 0,87 V vs. ELLA
Total: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O2
La Figura 1B ilustra el principio de funcionamiento de los FCH2O2. H 2 O2dona electrones en el ánodo y acepta electrones en el cátodo. La transferencia de electrones entre el ánodo y el cátodo se produce a través de un circuito externo, lo que da como resultado la generación de electricidad. El potencial teórico de circuito abierto (OCP) de H2 O2 FC es de 1,09 V en medios ácidos y de 0,62 V en medios básicos13. Sin embargo, numerosos resultados experimentales han mostrado valores más bajos, llegando hasta 0,75 V en medios ácidos y 0,35 V en medios básicos, en comparación con el OCP teórico. Esta observación puede atribuirse a la presencia de un potencial mixto13. Además, la potencia y la salida de corriente de los FC H 2 O2no pueden competir con los FC 2,3,4 mencionados debido a la selectividad catalítica limitada de los electrodos. Sin embargo, cabe destacar que la tecnología actual de H 2 O 2 FC puede superar a los FC H2, NaBH4 y NH3 en términos de costo total, como se muestra en la Tabla 1. Por lo tanto, la selectividad catalítica mejorada de los electrodos para la electrooxidación y la electrorreducción de H2O2sigue siendo un desafío importante para estos dispositivos.
En este estudio, introducimos un electrodo de estructura porosa tridimensional para mejorar la interacción entre el electrodo y el combustibleH2O2, con el objetivo de aumentar la velocidad de reacción y mejorar la potencia y la salida de corriente. También investigamos el impacto del pH de la solución y la concentración deH2O2en el rendimiento del FC. El par de electrodos utilizado en este estudio comprende un paño de fibra de carbono galvanizado en oro y espuma de níquel. La caracterización estructural se lleva a cabo mediante difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (SEM), con curvas de potencial de circuito abierto (OCP), polarización y potencia de salida que sirven como parámetros principales para las pruebas de FC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Varios parámetros influyen significativamente en el rendimiento de una pila de combustible de peróxido de hidrógeno sin membrana más allá del pH de la solución y la concentración deH2O2. La elección del material del electrodo dicta la actividad electrocatalítica y la estabilidad, mientras que el área de superficie del electrodo puede mejorar los sitios de reacción. La temperatura de funcionamiento afecta la cinética de la reacción, y el caudal de los reactivos puede determinar la eficie…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo contó con el apoyo del Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de Tecnologías Clave de China (2021YFA0715302 y 2021YFE0191800), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (61975035 y 52150610489) y la Comisión de Ciencia y Tecnología de la Municipalidad de Shanghái (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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