Gelecek Vaat Eden Bir Temiz Enerji Kaynağı Olarak Membransız Hidrojen Peroksit Yakıt Hücreleri
Summary
Bu protokol, Au-elektrolizle kaplanmış karbon fiber kumaş ve Ni-köpük elektrotları kullanan hidrojen peroksit yakıt hücreleri için yenilikçi üç boyutlu elektrotların tasarımını ve değerlendirmesini sunar. Araştırma bulguları, hidrojen peroksitin sürdürülebilir enerji teknolojileri için umut verici bir aday olma potansiyelini vurgulamaktadır.
Abstract
Membransız hidrojen peroksit bazlı yakıt hücrelerinin (H2O2FC’ler) derinlemesine incelenmesinde, karbon nötr bir bileşik olan hidrojen peroksitin (H2O2)H2O, O2 ve elektrik enerjisi üretmek için elektrokimyasal ayrışmaya uğradığı gösterilmiştir. H2O2’nin benzersiz redoks özellikleri, onu sürdürülebilir enerji uygulamaları için uygun bir aday olarak konumlandırmaktadır. Önerilen membransız tasarım, üretim karmaşıklıkları ve tasarım zorlukları dahil olmak üzere geleneksel yakıt hücrelerinin sınırlamalarını ele almaktadır. Elektrokaplama teknikleriyle sentezlenen yeni bir üç boyutlu elektrot tanıtıldı. Ni-köpük ile birleştirilmiş Au-elektrolizle kaplanmış karbon fiber kumaştan üretilen bu elektrot, H2O2FC’ler için artan bir güç yoğunluğuna yol açan gelişmişelektrokimyasal reaksiyon kinetiği sergiler. Yakıt hücrelerinin performansı, elektrolit çözeltisinin pH seviyeleri ile karmaşık bir şekilde bağlantılıdır. FC uygulamalarının ötesinde, bu tür elektrotlar taşınabilir enerji sistemlerinde ve yüksek yüzey alanlı katalizörler olarak potansiyele sahiptir. Bu çalışma, çevre dostu bir enerji kaynağı olarakH2O2’ninpotansiyelini optimize etmede elektrot mühendisliğinin önemini vurgulamaktadır.
Introduction
Yakıt hücresi, kimyasalları elektrik enerjisine dönüştürmek için yakıt ve oksidan kullanan elektrokimyasal bir cihazdır. FC’ler, Carnot Döngüsü1’e bağlı olmadıkları için geleneksel içten yanmalı motorlardan daha yüksek enerji dönüşüm verimliliğine sahiptir. Hidrojen (H2)2, borhidrür-hidrojen (NaBH4)3 ve amonyak (NH3)4 gibi yakıtları kullanan FC’ler, çevresel olarak temiz ve yüksek performans elde edebilen, insanların fosil yakıtlara olan bağımlılığını azaltmak için önemli bir potansiyel sunan, umut verici bir enerji kaynağı haline gelmiştir. Bununla birlikte, FC teknolojisi belirli zorluklarla karşı karşıyadır. Yaygın bir sorun, FC sisteminde dahili kısa devrelere karşı bir koruma görevi gören bir proton değişim membranının (PEM) dahili rolüdür. Bir elektrolitik membranın entegrasyonu, artan üretim maliyetlerine, iç devre direncine ve mimari karmaşıklığa katkıda bulunur5. Ayrıca, tek bölmeli FC’leri çok yığınlı dizilere dönüştürmek, güç ve akım çıkışlarını geliştirmek için akış kanallarını, elektrotları ve plakaları entegre etmenin karmaşık süreci nedeniyle ek komplikasyonlar ortaya çıkarır5.
Geçtiğimiz on yıllar boyunca, membranla ilgili bu zorlukların üstesinden gelmek ve FC sistemini düzene sokmak için ortak çabalar sarf edilmiştir. Özellikle, düşük Reynold sayılarında laminer ko-akışlar kullanan membransız FC konfigürasyonlarının ortaya çıkması yenilikçi bir çözüm sunmuştur. Bu tür kurulumlarda, iki akış arasındaki arayüz “sanal” bir proton ileten zar6 olarak işlev görür. Laminer akış tabanlı FC’ler (LFFC’ler), mikroakışkanlarınfaydalarından yararlanılarak geniş çapta incelenmiştir 7,8,9,10. Bununla birlikte, LFFC’ler, laminer yakıtların/oksidanların pompalanması için yüksek enerji girişi, akışkan akışlarında reaktan geçişinin azaltılması ve hidrodinamik parametrelerin optimizasyonu dahil olmak üzere katı koşullar gerektirir.
Son zamanlarda, H2O2, elektrotlarda elektrooksidasyon ve elektroredüksiyon işlemleri sırasında su (H2O) ve oksijen (O2) verenkarbon-nötr yapısı nedeniyle potansiyel bir yakıt ve oksidan olarak ilgi görmüştür11,12. H2O2, iki elektronlu bir indirgeme işlemi veya su12’den iki elektronlu bir oksidasyon işlemi kullanılarak seri üretilebilir. Daha sonra, diğer gaz yakıtların aksine, sıvı H 2 O2yakıtı mevcut benzin altyapısına entegre edilebilir 5. Ayrıca, H2O2 orantısızlık reaksiyonu,H2O2’ninhemyakıt hem de oksidan olarak servis edilmesini mümkün kılar. Şekil 1A, basit bir H 2 O2FC mimarisinin şematik yapısını göstermektedir. Geleneksel FC 2,3,4 ile karşılaştırıldığında, H 2 O2 FC, cihazın “basitliğinin” avantajlarını kullanır. Yamasaki ve ark. hem yakıt hem de oksidan rolü oynayan membransızH2O2FC’leri gösterdi. Açıklanan elektrik enerjisi üretim mekanizması, araştırma topluluklarına bu araştırma yönünü sürdürmeleri için ilham vermiştir6. Daha sonra,H2O2’yiyakıt ve oksidan olarak kullanan elektrooksidasyon ve elektroredüksiyon mekanizmaları aşağıdaki reaksiyonlarla temsil edilmiştir13,14
Asidik ortamda:
Anot:H2O2→O2 + 2H+ + 2e–; Ea1 = 0.68 V vs. O
Katot: H2O2 + 2H+ + 2e– →2H2O; Ea2 = 1.77 V ve O
Toplam: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Temel medyada:
H2O2+ OH- → HO2– +H2O
Anot: HO 2- + OH– → O 2 + H 2 O + 2e–; Eb1 = 0,15 V ile karşılaştırılır. O
Katot: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH–; Eb2 = 0,87 V ile karşılaştırılır. O
Toplam: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
Şekil 1B, H2O2FC’lerin çalışma prensibini göstermektedir.H2O2anotta elektron bağışlar ve katotta elektronları kabul eder. Anot ve katot arasındaki elektron transferi, harici bir devre aracılığıyla gerçekleşir ve bu da elektrik üretimi ile sonuçlanır. H2O2FC’nin teorik açık devre potansiyeli(OCP) asidik ortamda 1.09 V ve bazik ortamda 0.62 V’tur13. Bununla birlikte, çok sayıda deneysel sonuç, teorik OCP’ye kıyasla asidik ortamda 0,75 V’a ve bazik ortamda 0,35 V’a ulaşan daha düşük değerler göstermiştir. Bu gözlem, karışık bir potansiyelinvarlığına bağlanabilir 13. Ek olarak, H2O2FC’lerin güç ve akım çıkışı, elektrotların sınırlı katalitik seçiciliği nedeniyle belirtilenFC’ler 2,3,4 ile rekabet edemez. Bununla birlikte, mevcut H 2 O 2 FC teknolojisinin, Tablo 1’de gösterildiği gibi, toplam maliyet açısından H2, NaBH4 ve NH3 FC’lerden daha iyi performans gösterebilmesi dikkat çekicidir. Bu nedenle,H2O2elektrooksidasyonu ve elektroredüksiyon için elektrotların gelişmiş katalitik seçiciliği, bu cihazlar için önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir.
Bu çalışmada, reaksiyon hızını artırmayı ve güç ve akım çıkışını artırmayı amaçlayan, elektrot veH2O2yakıtı arasındaki etkileşimi iyileştirmek için üç boyutlu gözenekli yapılı bir elektrot sunuyoruz. Ayrıca çözelti pH’ı veH2O2konsantrasyonunun FC’nin performansı üzerindeki etkisini de araştırıyoruz. Bu çalışmada kullanılan elektrot çifti, altın elektrolizle kaplanmış bir karbon fiber kumaş ve nikel köpükten oluşur. Yapısal karakterizasyon, FC testi için birincil parametreler olarak hizmet veren Açık Devre Potansiyeli (OCP), polarizasyon ve güç çıkış eğrileri ile X-ışını Kırınımı (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak gerçekleştirilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Çeşitli parametreler, membransız bir hidrojen peroksit yakıt hücresinin performansını, çözelti pH’ı veH2O2konsantrasyonunun ötesinde önemli ölçüde etkiler. Elektrot malzemesinin seçimi, elektrokatalitik aktiviteyi ve stabiliteyi belirlerken, elektrotun yüzey alanı reaksiyon alanlarını artırabilir. Çalışma sıcaklığı reaksiyon kinetiğini etkiler ve reaktanların akış hızı, yakıt ve oksidanın karıştırma verimliliğini belirleyebilir. Kullanılan herhangi bir katali…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Anahtar Teknolojiler Ar-Ge Programı (2021YFA0715302 ve 2021YFE0191800), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (61975035 ve 52150610489) ve Şanghay Belediyesi Bilim ve Teknoloji Komisyonu (22ZR1405000) tarafından desteklenmiştir.
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).
