クリーンエネルギー源として有望なメンブレンレス過酸化水素燃料電池
Summary
このプロトコルでは、Au電気めっき炭素繊維クロスとNiフォーム電極を利用した、過酸化水素燃料電池用の革新的な3次元電極の設計と評価を紹介します。この研究結果は、過酸化水素が持続可能なエネルギー技術の有望な候補としての可能性を浮き彫りにしています。
Abstract
メンブレンレス過酸化水素ベースの燃料電池(H2O2FC)の詳細な調査では、カーボンニュートラル化合物である過酸化水素(H2O2)が電気化学的分解を受けてH2O、O2、および電気エネルギーを生成することが実証されている。H2O2のユニークな酸化還元特性は、それを持続可能なエネルギー用途の実行可能な候補として位置付けます。提案されたメンブレンレス設計は、製造の複雑さや設計上の課題など、従来の燃料電池の限界に対処します。電気めっき技術で合成された新しい3次元電極を紹介します。この電極は、Niフォームと組み合わせたAu電気メッキされた炭素繊維クロスで構成されており、電気化学反応速度論が強化されており、H2O2 FCの電力密度が向上しています。燃料電池の性能は、電解液のpHレベルと複雑に関係しています。FC用途以外にも、このような電極はポータブルエネルギーシステムや高表面積触媒としての可能性を秘めています。この研究は、環境に優しいエネルギー源としてのH2O2の可能性を最適化する上での電極工学の重要性を強調しています。
Introduction
燃料電池は、燃料と酸化剤を利用して化学物質を電気エネルギーに変換する電気化学デバイスです。FCは、カルノーサイクル1に縛られないため、従来の内燃機関よりもエネルギー変換効率が高くなります。水素(H2)2、水素化ホウ素水素(NaBH4)3、アンモニア(NH3)4などの燃料を利用することで、環境に優しく高性能なエネルギー源として期待されており、化石燃料への依存度を下げる大きな可能性を秘めています。しかし、FCテクノロジーは特有の課題に直面しています。一般的な問題の1つは、FCシステムにおけるプロトン交換膜(PEM)の内部の役割であり、内部短絡に対する保護手段として機能します。電解膜の一体化は、製造コスト、内部回路抵抗、およびアーキテクチャの複雑さの増加に寄与します5。さらに、シングルコンパートメントFCをマルチスタックアレイに変換すると、流路、電極、プレートを統合して電力と電流の出力を強化する複雑なプロセスにより、さらに複雑になります5。
過去数十年にわたり、これらの膜関連の課題に対処し、FCシステムを合理化するために協調的な取り組みが行われてきました。特に、低レイノルド数での層流を用いたメンブレンレスFC構成の出現は、革新的なソリューションを提供しました。このような設定では、2つの流れの間の界面が「仮想的な」プロトン伝導性膜6として機能する。層流ベースのFC(LFFC)は、マイクロ流体工学の利点を活用して広く研究されています7,8,9,10。ただし、LFFCには、層流燃料/酸化剤をポンピングするための高エネルギー入力、流体流での反応物クロスオーバーの緩和、流体力学的パラメータの最適化など、厳しい条件が必要です。
最近、H2O 2は、そのカーボンニュートラルな性質のために潜在的な燃料および酸化剤として関心を集めており、電極11,12での電気酸化および電気還元プロセス中に水(H 2 O)および酸素(O 2)を生成する。H2O2は、水12から2電子還元プロセスまたは2電子酸化プロセスを用いて大量生産することができる。続いて、他の気体燃料とは対照的に、液体H2O2燃料を既存のガソリンインフラ5に統合することができる。その上、H2O 2不均化反応は、H 2O 2を燃料および酸化剤の両方として機能させることを可能にする。図1Aは、簡易H2O2FCのアーキテクチャの概略構造を示す。従来のFC2、3、4と比較して、H2O2FCは、デバイスの「シンプルさ」の利点を利用しています。Yamasakiらは、燃料と酸化剤の両方の役割を果たす膜のないH2O2FCを実証しました。電気エネルギー生成のメカニズムの説明は、研究コミュニティにこの研究の方向性6を継続するよう促しました。続いて、燃料および酸化剤としてH2O 2を使用する電気酸化および電気還元メカニズムは、以下の反応13,14によって表されている
酸性媒体中:
アノード:H2O 2 →O2 + 2H+ + 2e–;Ea1 = 0.68 V vs. SHE
カソード:H2O2 + 2H + + 2e– →2H2O;Ea2 = 1.77 V 対彼女が
合計:2H2O 2 → 2H 2 O + O 2
基本メディアの場合:
H2O2+OH-→HO2–+H2O
陽極:HO 2- + OH- →O 2 + H 2 O + 2e–;Eb1 = 0.15 V 対彼女が
カソード:HO 2- + H2O + 2e- → 3OH – ;Eb2 = 0.87 V 対彼女が
合計:2 H2O 2 → 2H 2 O + O 2
図1Bは、H2O2FCの動作原理を示す。 H2O2は、陽極で電子を供与し、陰極で電子を受け入れる。アノードとカソードの間の電子移動は外部回路を介して行われ、電気が発生します。H2O2FCの理論上の開回路電位(OCP)は、酸性媒体で1.09V、塩基性媒体で0.62Vである13。しかし、多くの実験結果では、理論上のOCPと比較して、酸性媒体で最大0.75V、塩基性媒体で最大0.35Vに達する低い値が示されています。この観察は、混合電位13の存在に起因することができる。さらに、H2O2FCの電力および電流出力は、電極の触媒選択性が限られているため、前述のFC2、3、4と競合することができない。それにもかかわらず、表1に示されるように、現在のH2O2FC技術が、全体的なコストの点でH2、NaBH4、およびNH3FCを凌駕し得ることは注目に値する。したがって、H2O2電気酸化および電気還元のための電極の触媒選択性の向上は、これらのデバイスにとって依然として重要な課題である。
本研究では、電極とH2O2燃料との相互作用を改善するために、三次元多孔質構造の電極を導入し、反応速度の向上と電力および電流出力の向上を目指します。また、溶液のpHとH2O2濃度がFCの性能に与える影響についても調査しています。本研究で使用した電極対は、金電気めっき炭素繊維布とニッケル発泡体で構成されています。構造特性評価は、X線回折(XRD)と走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して行われ、開回路電位(OCP)、偏光、および出力曲線がFCテストの主要なパラメータとして機能します。
Protocol
Representative Results
Discussion
いくつかのパラメータは、溶液のpHおよびH2O2濃度を超えて、メンブレンレス過酸化水素燃料電池の性能に大きく影響します。電極材料の選択は電気触媒活性と安定性を決定し、電極の表面積は反応部位を増強することができます。動作温度は反応速度論に影響を与え、反応物の流量は燃料と酸化剤の混合効率を決定する可能性があります。使用する触媒の濃度は反応速度にと…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国国家基幹技術研究開発プログラム(2021YFA0715302および2021YFE0191800)、中国国家自然科学基金会(61975035および52150610489)、上海市科学技術委員会(22ZR1405000)の支援を受けました。
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
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