Summary

无膜双氧水燃料电池作为一种有前途的清洁能源

Published: October 20, 2023
doi:

Summary

该协议介绍了利用Au电镀碳纤维布和泡沫镍电极的用于过氧化氢燃料电池的创新三维电极的设计和评估。研究结果强调了过氧化氢作为可持续能源技术有前途的候选者的潜力。

Abstract

在对无膜过氧化氢燃料电池 (H 2 O 2 FC) 的深入研究中,过氧化氢 (H 2 O 2) 是一种碳中性化合物,经电化学分解产生 H 2 O、O 2和电能。H 2 O2独特的氧化还原特性使其成为可持续能源应用的可行候选者。所提出的无膜设计解决了传统燃料电池的局限性,包括制造复杂性和设计挑战。介绍了一种通过电镀技术合成的新型三维电极。该电极由镀金碳纤维布和泡沫镍制成,具有增强的电化学反应动力学,可提高 H 2 O2FC 的功率密度。燃料电池的性能与电解质溶液的pH值有着千丝万缕的联系。除了燃料电池应用外,这种电极在便携式能源系统中也具有潜力,并可作为高表面积催化剂。本研究强调了电极工程在优化H 2 O2作为环境友好能源的潜力方面的重要性

Introduction

燃料电池是一种利用燃料和氧化剂将化学物质转化为电能的电化学装置。FC 比传统内燃机具有更高的能量转换效率,因为它们不受卡诺循环1 的约束。通过利用氢气 (H 2)2、硼氢化氢 (NaBH 4)3 和氨 (NH 34 等燃料,燃料电池已成为一种很有前途的能源,它既环保又能实现高性能,为减少人类对化石燃料的依赖提供了巨大的潜力。然而,燃料电池技术面临着特定的挑战。一个普遍存在的问题是质子交换膜 (PEM) 在 FC 系统中的内部作用,它起到了防止内部短路的作用。电解膜的集成会增加制造成本、内部电路电阻和架构复杂性5.此外,由于集成流道、电极和板以增强功率和电流输出的复杂过程,将单室 FC 转换为多堆栈阵列会带来额外的复杂性5

在过去的几十年里,我们齐心协力地应对这些与膜相关的挑战并简化 FC 系统。值得注意的是,使用低雷诺数层流共流的无膜 FC 配置的出现提供了一种创新的解决方案。在这种设置中,两个流动之间的界面充当“虚拟”质子传导膜6。基于层流的 FC (LFFC) 已被广泛研究,利用了微流体的优势 7,8,9,10。然而,LFFC需要严格的条件,包括泵送层流燃料/氧化剂的高能量输入,减少流体流中的反应物交叉,以及优化流体动力学参数。

最近,H 2 O 2 因其碳中性和性质而作为潜在的燃料和氧化剂引起了人们的兴趣,在电极11,12 的电氧化和电还原过程中产生水 (H 2 O) 和氧气 (O2)。H2 O2 可以使用双电子还原过程或通过水的双电子氧化过程12 批量生产。随后,与其他气体燃料相比,液态H 2 O2燃料可以集成到现有的汽油基础设施5中。此外,H 2 O 2 歧化反应使 H 2 O2既可以作为燃料又可以作为氧化剂。图 1A 显示了简单的 H 2 O2 FC 架构的示意图。与传统的 FC234 相比,H 2 O2FC 利用了设备“简单”的优点。Yamasaki等人证明了无膜H 2 O2FCs,它既起着燃料的作用,又起着氧化剂的作用。所描述的电能产生机理启发了研究界继续这一研究方向6.随后,使用 H 2 O2 作为燃料和氧化剂的电氧化和电还原机理由以下反应表示13,14

在酸性介质中:

阳极:H2 O 2 → O2 + 2H+ + 2e;Ea1 = 0.68 V vs. SHE
阴极:H 2 O 2 + 2H+ + 2e → 2H2 O;Ea2 = 1.77 V 对比
总计: 2 H 2O 2 → 2H 2 O + O2

在基本媒体中:

H 2 O 2 + OH- → HO 2 + H 2 O
阳极:HO2– + OH- → O 2 + H2O + 2e;Eb1 = 0.15 V 对比
阴极:HO2– + H2O + 2e- → 3OH;Eb2 = 0.87 V 对比
总计: 2 H 2O 2 → 2H 2 O + O2

图 1B 说明了 H 2 O 2 FC 的工作原理,H 2 O 2在阳极提供电子,在阴极接受电子。阳极和阴极之间的电子转移通过外部电路发生,从而产生电力。H 2 O2FC 的理论开路电位 (OCP) 在酸性介质中为 1.09 V,在碱性介质中为 0.62 V13。然而,许多实验结果显示,与理论OCP相比,该值较低,在酸性介质中达到0.75 V,在碱性介质中达到0.35 V。这一观察结果可归因于混合电位的存在13.此外,由于电极的催化选择性有限,H 2 O 2 FC 的功率和电流输出无法与上述 FCs2,3,4 竞争。 然而,值得注意的是,目前的H 2 O 2 FC技术在总成本方面可以优于H2NaBH4和NH3 FC,如表1所示。因此,增强电极对H 2 O2电氧化和电还原的催化选择性仍然是这些器件面临的重大挑战。

在这项研究中,我们引入了一种三维多孔结构电极来改善电极与H 2 O2燃料之间的相互作用,旨在提高反应速率并增强功率和电流输出。我们还研究了溶液 pH 值和 H 2 O2浓度对 FC 性能的影响。本研究中使用的电极对包括镀金碳纤维布和泡沫镍。使用 X 射线衍射 (XRD) 和扫描电子显微镜 (SEM) 进行结构表征,开路电位 (OCP)、偏振和功率输出曲线作为 FC 测试的主要参数。

Protocol

1、材料预处理 注意:H 2 O2FC 的阳极使用尺寸为 25 mm x 25 mm x 1.5 mm 的泡沫镍(市售,参见材料表)。 将泡沫镍样品浸入酒精和去离子(DI)水中,在溶剂和水中超声处理3次,5分钟。随后,将泡沫镍放在干净的玻璃基板上。 使用碳纤维布(见 材料表)作为阴极基板。用剪刀将碳布剪成 25 毫米 x 25 毫米的正?…

Representative Results

电镀结果图2显示了电镀结果。图2A表示X射线衍射结果。图2B,C是显微照片。图2D,E是SEM结果。金(Au)在碳纤维布(CF)上的有效沉积首先通过碳纤维布颜色从黑色到金黄色的物理变化来确认,如图2B,C所示。通过X射线衍射分析进?…

Discussion

除了溶液 pH 值和 H 2 O2浓度之外,有几个参数会显着影响无膜过氧化氢燃料电池的性能。电极材料的选择决定了电催化的活性和稳定性,而电极的表面积可以增强反应位点。工作温度影响反应动力学,反应物的流速可以决定燃料和氧化剂的混合效率。所用催化剂的浓度对反应速率至关重要,杂质会抑制或毒害催化剂。燃料电池的设计,包括电极间距和流道几何形状,会影响传质和?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了国家关键技术研发计划(2021YFA0715302和2021YFE0191800)、国家自然科学基金(61975035和52150610489)和上海市科学技术委员会(22ZR1405000)的支持。

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

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Lan, R., Tao, S. Ammonia as a suitable fuel for fuel cells. Frontiers in Energy Research. 2, 2014 (2014).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ha, S. M., Ahn, Y. Laminar flow-based micro fuel cell utilizing grooved electrode surface. Journal of Power Sources. 267, 731-738 (2014).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Wu, K. H., et al. Highly selective hydrogen peroxide electrosynthesis on carbon: in situ interface engineering with surfactants. Chem. 6 (6), 1443-1458 (2020).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Eaves, S., Eaves, J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles. Journal of Power Sources. 130 (1-2), 208-212 (2004).
  21. 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).
  22. Muthukumar, P., Groll, M. Erratum to "Metal hydride based heating and cooling systems: a review&#34. International Journal of Hydrogen Energy. 35 (16), 8816-8829 (2010).

Play Video

Cite This Article
Zhu, F., Chen, G., Kuzin, A., Gorin, D. A., Mohan, B., Huang, G., Mei, Y., Solovev, A. A. Membraneless Hydrogen Peroxide Fuel Cells as a Promising Clean Energy Source. J. Vis. Exp. (200), e65920, doi:10.3791/65920 (2023).

View Video