Células a combustível de peróxido de hidrogênio sem membrana como fonte promissora de energia limpa
Summary
Este protocolo introduz o projeto e a avaliação de eletrodos tridimensionais inovadores para células a combustível de peróxido de hidrogênio, utilizando pano de fibra de carbono galvanizado com Au e eletrodos de espuma de Ni. Os resultados da pesquisa destacam o potencial do peróxido de hidrogênio como um candidato promissor para tecnologias de energia sustentável.
Abstract
Em uma investigação aprofundada de células a combustível à base de peróxido de hidrogênio sem membrana (H 2 O 2 FCs), peróxido de hidrogênio (H 2 O 2), um composto neutro em carbono, é demonstrado que sofre decomposição eletroquímica para produzir H 2 O, O 2e energia elétrica. As propriedades redox únicas de H 2O2 posicionam-no como um candidato viável para aplicações de energia sustentável. O projeto sem membrana proposto aborda as limitações das células de combustível convencionais, incluindo complexidades de fabricação e desafios de projeto. Um novo eletrodo tridimensional, sintetizado através de técnicas de galvanoplastia, é introduzido. Construído a partir de tecido de fibra de carbono galvanizado com alumínio combinado com espuma de Ni, este eletrodo apresenta cinética de reação eletroquímica aprimorada, levando a um aumento da densidade depotência para FCs H 2 O2. O desempenho das células a combustível está intrinsecamente ligado aos níveis de pH da solução eletrolítica. Além das aplicações de FC, tais eletrodos possuem potencial em sistemas portáteis de energia e como catalisadores de alta área superficial. Este estudo enfatiza a importância da engenharia de eletrodos na otimização do potencial de H2 O2 como uma fonte de energia ambientalmente correta.
Introduction
Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que utiliza combustível e oxidante para converter produtos químicos em energia elétrica. Os FCs têm maior eficiência de conversão de energia do que os motores de combustão tradicionais, uma vez que não estão vinculados pelo Ciclo1 de Carnot. Ao utilizar combustíveis como hidrogênio (H 2)2, boroidreto-hidrogênio (NaBH 4)3 e amônia (NH 3)4, os FCs tornaram-se uma fonte de energia promissora, ambientalmente limpa e capaz de alcançar alto desempenho, oferecendo um potencial significativo para reduzir a dependência humana de combustíveis fósseis. No entanto, a tecnologia FC enfrenta desafios específicos. Uma questão prevalente é o papel interno de uma membrana de troca de prótons (PEM) no sistema FC, que atua como uma proteção contra curtos-circuitos internos. A integração de uma membrana eletrolítica contribui para o aumento dos custos de fabricação, da resistência do circuito interno e da complexidade arquitetônica5. Além disso, a transformação de FCs de compartimento único em matrizes multipilha introduz complicações adicionais devido ao intrincado processo de integração de canais de fluxo, eletrodos e placas para melhorar as saídas de potência e corrente5.
Ao longo das últimas décadas, esforços conjuntos foram feitos para enfrentar esses desafios relacionados à membrana e simplificar o sistema de FC. Notavelmente, o surgimento de configurações de FC sem membrana usando cofluxos laminares em baixos números de Reynold ofereceu uma solução inovadora. Nessas configurações, a interface entre dois fluxos funciona como uma membrana condutora de prótons “virtual”6. Os CFs baseados em fluxo laminar (LFFCs) têm sido amplamente estudados, aproveitando os benefícios da microfluídica 7,8,9,10. No entanto, os LFFCs requerem condições rigorosas, incluindo alta entrada de energia para bombear combustíveis laminares/oxidantes, mitigação do cruzamento de reagentes em fluxos fluídicos e otimização de parâmetros hidrodinâmicos.
Recentemente, o H 2 O 2 tem ganhado interesse como potencial combustível e oxidante devido à sua natureza carbono neutro, produzindo água (H 2 O) e oxigênio (O2) durante processos de eletrooxidação e eletrorredução em eletrodos11,12. H 2O2 pode ser produzido em massa usando um processo de redução de dois elétrons ou por um processo de oxidação de dois elétrons a partir da água12. Posteriormente, em contraste com outros combustíveis gasosos, o combustível líquido H 2 O2pode ser integrado à infraestrutura de gasolina existente 5. Além disso, a reação de desproporção de H 2 O 2 torna possível servir H 2 O2 comocombustível e oxidante. A Figura 1A mostra uma estrutura esquemática da arquitetura de um fácil H 2 O2FC. Em comparação com as CFstradicionais2,3,4, a CF H 2 O2 utiliza as vantagens da “simplicidade” do dispositivo. demonstraram FCs H 2 O2sem membrana, desempenhando o papel de combustível e oxidante. O mecanismo descrito de geração de energia elétrica inspirou comunidades de pesquisa a dar continuidade a essa direção de pesquisa6. Posteriormente, mecanismos de eletrooxidação e eletrorredução utilizando H 2 O2como combustível e oxidante foram representados pelas seguintes reações13,14
Na mídia ácida:
Ânodo: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e–; Ea1 = 0,68 V vs. SHE
Catodo: H 2 O 2 + 2H+ + 2e– → 2H2 O; Ea2 = 1,77 V vs. ELA
Total: 2 H 2 O 2→ 2H 2 O + O 2
Na mídia básica:
H 2 O 2 + OH- → HO 2– + H 2 O
Ânodo: HO 2- + OH- → O 2 + H2 O + 2e–; Eb1 = 0,15 V vs. ELA
Catodo: HO 2- + H2O + 2e- → 3OH–; Eb2 = 0,87 V vs. ELA
Total: 2 H 2 O 2→ 2H 2 O + O 2
A Figura 1B ilustra o princípio de funcionamento de H 2 O 2 FCs. H 2 O2 doa elétrons no ânodo e aceita elétrons no cátodo. A transferência de elétrons entre o ânodo e o cátodo ocorre através de um circuito externo, resultando na geração de eletricidade. O potencial teórico de circuito aberto (PCO) de H2 O2 FC é de 1,09 V em meio ácido e 0,62 V em meio básico13. Entretanto, inúmeros resultados experimentais têm mostrado valores inferiores, chegando até 0,75 V em meio ácido e 0,35 V em meio básico, quando comparados ao OCP teórico. Essa observação pode ser atribuída à presença de um potencialmisto13. Além disso, a potência e a saída de corrente dos FCs H 2 O 2 não podem competir com os FCs mencionados 2,3,4 devido à seletividade catalítica limitada dos eletrodos. No entanto, vale ressaltar que a tecnologia atual de CF H 2 O 2 pode superar as CFs H2, NaBH4 e NH3 em termos de custo global, como mostra a Tabela 1. Assim, a maior seletividade catalítica dos eletrodos para eletrooxidaçãoe eletrorredução de H 2 O2 permanece um desafio significativo para esses dispositivos.
Neste estudo, introduzimos um eletrodo de estrutura porosa tridimensional para melhorar a interação entre o eletrodo e o combustível H2 O2, visando aumentar a taxa de reação e aumentar a potência e a saída de corrente. Investigamos também o impacto do pH da solução e da concentração de H 2 O2no desempenho da CF. O par de eletrodos utilizado neste estudo é composto por um pano de fibra de carbono galvanizado a ouro e espuma de níquel. A caracterização estrutural é realizada usando Difração de Raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), com curvas de Potencial de Circuito Aberto (OCP), polarização e potência servindo como parâmetros primários para testes de FC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vários parâmetros influenciam significativamente o desempenho de uma célula a combustível de peróxido de hidrogênio sem membrana além do pH da solução e da concentração de H 2 O2. A escolha do material do eletrodo determina a atividade eletrocatalítica e a estabilidade, enquanto a área de superfície do eletrodo pode melhorar os locais de reação. A temperatura de operação afeta a cinética da reação, e a taxa de fluxo dos reagentes pode determinar a eficiência de mistura do combu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento de Tecnologias Chave da China (2021YFA0715302 e 2021YFE0191800), pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (61975035 e 52150610489) e pela Comissão de Ciência e Tecnologia do Município de Xangai (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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