유망한 청정 에너지원으로서의 무막과산화수소 연료 전지
Summary
이 프로토콜은 Au 전기도금 탄소 섬유 천과 Ni 폼 전극을 활용하여 과산화수소 연료 전지를 위한 혁신적인 3차원 전극의 설계 및 평가를 소개합니다. 연구 결과는 지속 가능한 에너지 기술의 유망한 후보로서 과산화수소의 잠재력을 강조합니다.
Abstract
무막과산화수소계 연료전지(H2O2FC)에 대한 심층적인 연구에서 탄소 중립 화합물인 과산화수소(H2O2)는 전기화학적 분해를 거쳐H2O, O2 및 전기 에너지를 생성하는 것으로 입증되었습니다. H 2 O2의 독특한 산화 환원 특성은 지속 가능한 에너지 응용 분야를위한 실행 가능한 후보로 자리 매김합니다. 제안된 멤브레인 없는 설계는 제조 복잡성 및 설계 문제를 포함하여 기존 연료 전지의 한계를 해결합니다. 전기 도금 기술을 통해 합성된 새로운 3차원 전극이 도입되었습니다. Ni 폼과 결합된 Au 전기도금 탄소 섬유 천으로 구성된 이 전극은 향상된 전기화학 반응 역학을 보여 H 2 O2FC의 전력 밀도를 증가시킵니다. 연료 전지의 성능은 전해질 용액의 pH 수준과 복잡하게 연결되어 있습니다. FC 응용 분야 외에도 이러한 전극은 휴대용 에너지 시스템 및 높은 표면적 촉매로서의 잠재력을 보유하고 있습니다. 이 연구는 환경 친화적 인 에너지 원으로서 H 2 O2의 잠재력을 최적화하는 전극 공학의 중요성을 강조합니다.
Introduction
연료 전지는 연료와 산화제를 사용하여 화학 물질을 전기 에너지로 변환하는 전기 화학 장치입니다. FC는 Carnot Cycle1에 구속되지 않기 때문에 기존 연소 엔진보다 에너지 변환 효율이 높습니다. FC는 수소(H2)2, 수소화붕소-수소(NaBH4)3 및 암모니아(NH3)4와 같은 연료를 활용하여 환경적으로 깨끗하고 고성능을 달성할 수 있는 유망한 에너지원이 되어 화석 연료에 대한 인간의 의존도를 줄일 수 있는 상당한 잠재력을 제공합니다. 그러나 FC 기술은 특정 과제에 직면해 있습니다. 한 가지 일반적인 문제는 FC 시스템에서 내부 단락에 대한 보호 장치 역할을 하는 양성자 교환막(PEM)의 내부 역할입니다. 전해조의 통합은 제조 비용, 내부 회로 저항 및 아키텍처 복잡성 증가에 기여합니다5. 더욱이, 단일 구획 FC를 다중 스택 어레이로 변환하면 전력 및 전류 출력을 향상시키기 위해 유동 채널, 전극 및 플레이트를 통합하는 복잡한 프로세스로 인해 추가적인 복잡성이 발생합니다5.
지난 수십 년 동안 이러한 멤브레인 관련 문제를 해결하고 FC 시스템을 간소화하기 위해 공동의 노력이 이루어졌습니다. 특히, 낮은 Reynold 수에서 층류 공동 흐름을 사용하는 무막 FC 구성의 출현은 혁신적인 솔루션을 제공했습니다. 이러한 설정에서, 두 유동 사이의 계면은 “가상” 양성자-전도막(proton-conducting membrane)6으로서 기능한다. 층류 기반 FC(LFFC)는 미세유체역학 7,8,9,10의 이점을 활용하여 널리 연구되었습니다. 그러나 LFFC는 층류 연료/산화제 펌핑을 위한 고에너지 입력, 유체 흐름에서 반응물 교차 완화 및 유체역학적 매개변수 최적화를 포함한 엄격한 조건이 필요합니다.
최근에, H2O2는 전극(11,12)에서의 전기산화 및 전기환원 공정 중에 물(H2O)과산소(O2)를 생성하는 탄소 중립적 특성으로 인해 잠재적인 연료 및 산화제로서 관심을 얻고 있다. H2O2는 2전자 환원 공정을 이용하거나 물(12)로부터 2전자 산화 공정을 이용하여 대량 생산할 수 있다. 이어서, 다른 기체 연료와 달리, 액체H2O2연료는 기존의 가솔린 기반구조(5)에 통합될 수 있다. 게다가, H2O2 불균형 반응은H2O2를 연료 및 산화제로서 제공하는것을 가능하게 한다. 도 1a는 손쉬운 H2O2FC 아키텍처의개략적인 구조를 나타낸다. 기존의 FC 2,3,4와 비교하여 H2O2FC는 장치 “단순성”의 이점을 활용합니다. Yamasaki et al.은 연료와 산화제의 역할을 모두 수행하는 멤브레인이 없는 H 2 O2FC를 시연했습니다. 기술된 전기 에너지 생성 메커니즘은 연구 커뮤니티가 이러한 연구 방향을 지속하도록 영감을 주었습니다6. 이어서,H2O2를 연료 및 산화제로 사용하는 전기산화 및 전기 환원 메커니즘은 다음과 같은 반응으로 표현되었다13,14
산성 매체에서:
양극 : H2 O 2 → O2 + 2H + 2e–; Ea1 = 0.68 V vs. 그녀
음극 : H 2 O 2 + 2H + + 2e– → 2H2 O; Ea2 = 1.77V 대 그녀
합계: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
기본 미디어에서:
H 2 O 2 + OH– → HO 2– + H 2 O
양극 : HO 2- + OH– → O 2 + H 2 O +2e–; Eb1 = 0.15V 대 그녀
음극 : HO 2– + H2O + 2e- → 3OH–; Eb2 = 0.87V 대 그녀
합계: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
도 1B는 H2O2FC의 작동 원리를 나타낸 것이다.H2O2는 양극에서 전자를 공여하고 음극에서 전자를 받아들인다. 양극과 음극 사이의 전자 전달은 외부 회로를 통해 발생하여 전기가 생성됩니다. H2O2FC의 이론적 개방 회로 전위(OCP)는 산성 매체에서 1.09V이고 염기성 매체(13)에서 0.62V입니다. 그러나 수많은 실험 결과에서 이론적 OCP에 비해 산성 매질에서 최대 0.75V, 염기성 매질에서 최대 0.35V에 도달하는 더 낮은 값을 보여주었습니다. 이러한 관찰은 혼합 전위(mixed potential)13의 존재에 기인할 수 있다. 또한,H2O2FC의 전력 및 전류 출력은 전극의 제한된 촉매 선택성으로 인해 언급된 FC(2,3,4)와 경쟁할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 표 1에 나타낸 바와 같이, 현재의 H2O2FC 기술이 전체 비용 측면에서H2, NaBH4 및NH3 FC를 능가할 수 있다는 것은 주목할 만하다. 따라서,H2O2전기산화 및 환원을 위한 전극의 향상된 촉매 선택성은 이러한 장치에 대한 중요한 과제로 남아 있다.
본 연구에서는 3차원 다공성 구조 전극을 도입하여 전극과H2O2연료 간의 상호 작용을 개선하여 반응 속도를 높이고 전력 및 전류 출력을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 또한 용액 pH와H2O2농도가 FC의 성능에 미치는 영향을 조사합니다. 이 연구에 사용된 전극 쌍은 금 전기도금된 탄소 섬유 천과 니켈 폼으로 구성됩니다. 구조 특성 분석은 X선 회절(XRD) 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 수행되며, 개방 회로 전위(OCP), 편광 및 전력 출력 곡선이 FC 테스트의 주요 매개변수로 사용됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
몇 가지 파라미터는 용액 pH 및H2O2농도를 넘어 무막과산화수소 연료 전지의 성능에 크게 영향을 미칩니다. 전극 재료의 선택은 전기 촉매 활성과 안정성을 결정하는 반면, 전극의 표면적은 반응 부위를 향상시킬 수 있습니다. 작동 온도는 반응 역학에 영향을 미치며 반응물의 유속은 연료와 산화제의 혼합 효율을 결정할 수 있습니다. 사용되는 촉매의 농도는 반응 속도에 중추적인…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 중국 국가 핵심 기술 R&D 프로그램(2021YFA0715302 및 2021YFE0191800), 중국 국립 자연 과학 재단(61975035 및 52150610489) 및 상하이시 과학 기술 위원회(22ZR1405000)의 지원을 받았습니다.
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 |
Referências
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