无膜双氧水燃料电池作为一种有前途的清洁能源

摘要

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。

摘要

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。

引言

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 ³）₄ 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....

研究方案

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）。

1. 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。
2. 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 毫米的正方形碎片。
3. 将碳布样品浸入丙酮，75%酒精，去离子水中，并分别超声处理3次，每次5分钟。然后，用去离子水冲洗碳布以去除酒精残留物。将碳布放在玻璃基板上。
   注：根据所讨论的研究结果^15,16，选择Au作为阴极和Ni作为阳极作为H 2 O 2 FCs的催化剂。 Pt、Pd、Ni、Au和Ag等金属对H 2 O₂氧化或还原反应具有特定的催化选择性，使其成为合适的电极材料。Au@carbon纤维电极兼具电催化活性、稳定性和增强的导电性，使其成为无膜过氧化氢燃料电池的合适选择。

讨论

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?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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