유망한 청정 에너지원으로서의 무막과산화수소 연료 전지

요약

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.

초록

무막과산화수소계 연료전지(H2O2FC)에 대한 심층적인 연구에서 탄소 중립 화합물인 과산화수소(H2O2)는 전기화학적 분해를 거쳐_H2O, _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.

서문

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, 액체_H2O2연료는 기존의 가솔린 기반구조⁽⁵)에 통합될 수 있다. 게다가, H2O2 불균형 반응은_H2O2를 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 표현되었다^13,14

산성 매체에서:

양극 : H2 O 2 → O₂ + 2H ⁺ 2e^-; E_a1 = 0.68 V vs. 그녀
음극 : H 2 O 2 + 2H + ⁺ 2e^- → 2H₂ O; E_a2 = 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^-; E_b1 = 0.15V 대 그녀
음극 : HO 2- + H₂O + 2e- → ^3OH-; E_b2 = 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)13}의 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 측면에서_H2, NaBH4 및_NH3 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 전극과_H2O2연료 간의 상호 작용을 개선하여 반응 속도를 높이고 전력 및 전류 출력을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 또한 용액 pH와_H2O2농도가 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.

프로토콜

1. 재료의 전처리

참고: 25mm x 25mm x 1.5mm의 Ni-foam(시판, 재료 표 참조)은 H2O2FC의 양극에 사용됩니다.

1. Ni-foam 샘플을 알코올 및 탈 이온수 (DI) 물에 담그고 용매와 물에서 5 분 동안 3 회 초음파 처리합니다. 그런 다음 깨끗한 유리 기판 위에 Ni-폼을 놓습니다.
2. 탄소 섬유 천( 재료 표 참조)을 음극 기판으로 활용합니다. 가위를 사용하여 탄소 천을 25mm x 25mm 정사각형 조각으로 자릅니다.
3. 탄소 천 샘플을 아세톤, 75% 알코올, 탈이온수에 담그고 각각 5분 동안 세 번 초음파 처리합니다. 그런 다음 탄소 천을 DI 물로 씻어내어 알코올 잔여물을 제거합니다. 유리 기판 위에 탄소 천을 놓습니다.
   참고 : 논의 된 연구 결과^15,16에 기초하여 음극으로서의 Au와 양극으로서의 Ni가 H 2 O 2 FC의 촉매로 선택되었습니다. Pt, Pd, Ni^, Au 및 Ag와 같은 금속은 H 2 O₂ 산화 또는 환원 반응에 대한 특정 촉매 선택성을 가지므로 적합한 전극 재료입니다. Au@carbon 섬유 전극은 전기 촉매 활성, 안정성 및 향상된 전도성의 조합을 제공하므로 무막과산화수소 연료 전지에 적합한 선택입니다.

2. 탄소 천에 Au의 전기 도금

1. 클로로아우르산(HAuCl₄), 염화칼륨(KCl), 염산(HCl) 및 DI 물( 재료 표 참조)에 따라 전기도금을 위한 시약을 준비합니다.
2. 0.005 M HAuCl₄, 0.1 M KCl 및 0.01 M HCl이 있는 깨끗한 비커에 80mL 용액(비커 부피 기준)을 준비합니다. 입구를 밀봉하고 용액을 15분 동안 저어줍니다.
3. 전기 도금 재료, 탄소 천 및 도금 용액을 준비하십시오. 전기 도금 공정은 전기 화학 스테이션 (ES)에 의해 실행됩니다 ( 재료 표 참조).
   참고: 여기서는 도금을 위해 탄소 천을 작업 전극(WE), 흑연 막대를 상대 전극(CE), Ag/AgCl(포화 1M KCl 용액)을 기준 전극(RE)으로 선택하는 세 가지 전극 방법을 선택합니다.
4. 각 전극이 cl인지 확인하십시오.amp올바른 물체. 전극을 도금 용액에 담그십시오.
5. ES를 시작합니다. 그림 1C와 같이 프로그램을 크로노암페로메트리 방법으로 설정합니다. 단일 증착 원이 0.1초 동안 작동 전위 0.1V, 0.2초 동안 휴지 전위 0.2V인지 확인합니다. 결과적으로 AuCl₄^- 이온은 WE 주위에 균일하게 확산됩니다.
   1. 전기 도금 원을 800, 1600, 2400 및 3200 원으로 설정합니다. 프로그램을 실행합니다.
      알림: 일반적으로 ES의 크로노암페로메트리 방법 프로그램은 1600사이클을 달성할 수 없습니다. 또는 ES의 Multi-Potential Steps 프로그램을 크로노 암페어 메로메트리 방법과 동일한 선택 인 전기 도금 방법에도 사용할 수 있습니다 (제조업체 지침 참조).
6. 전기 도금 후 ES를 닫고 시약을 포장하고 Au 전기 도금 탄소 섬유 천(Au@CF)을 수집합니다.
7. Au@CF를 DI 물에 세 번 담가 용액 잔여물을 제거합니다. 공기 중에서 건조하기 위해 유리 기판 위에 놓습니다.
8. cl로 인한 Au@CF의 도금되지 않은 부분을 절단합니다.ampCF의 일부가 용액에 접촉하는 것을 방지하기 위해 s.
9. 전류/전력 밀도를 계산하기 위해 눈금자로 Au@CF의 크기(a: 길이, b: 너비)를 측정합니다.

3. FC의 성능 특성

1. pH 구배(1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13)에 대한 용액과 H 2 O₂(C_HP) 구배에 대한 다른 용액 (pH = 1, C_HP = 0.25 mol, 0.5 mol, 1 mol, 2 mol)의 두 가지 농도로 용액을 준비합니다.
2. OCP용 전극 2개와 편광 및 전력 출력 곡선용 전극 3개를 사용하여 ES로 FC 성능을 특성화합니다(3.3-3.6단계).
3. Ni-foam을 다시 세척하고 DI 물로 다시 Au@CF 두 번 합니다. 대기를 위해 따로 보관하십시오.
4. FC 테스트 중 OCP 데이터 획득: OCP는 FC 성능의 필수 매개변수입니다.
   1. Ni-foam을 RE 및 CE로 사용하고 Au@CF WE로 사용합니다. 테스트 비커에 용액을 추가합니다. 전극을 ES에 연결합니다. ES를 켭니다.
   2. 프로그램을 개방 회로 전위 - 시간 방법으로 설정하십시오. 실행 시간: 400초, 샘플 간격: 0.1초, 높은 E 제한: 1V, 낮은 E 제한: -1V. 프로그램을 실행합니다.
      참고: FC 출력이 안정화되는 데 시간이 걸리는 경우가 많습니다. 안정적인 FC 결과를 얻을 때까지 측정을 실행합니다.
   3. 데이터를 측정합니다. 프로그램을 닫습니다. 비커와 전극을 세척하십시오. 특정 테스트에 대한 다른 솔루션을 추가합니다.
5. OCP 데이터를 기반으로 FC의 출력 성능을 테스트합니다. 여기서는 원본 LSV( Linear Sweep Voltammetry ) 곡선 데이터만 필요합니다. 추가 출력 데이터는 LSV 곡선에서 계산할 수 있습니다.
   1. Ni-foam을 DI 물로 다시 씻고 Au@CF합니다(두 번 반복). RE와 세륨, WE로 Au@CF Ni 거품을 이용하십시오. 테스트 비커에 용액을 추가합니다.
   2. 프로그램을 개방 회로(OCP) 및 단락(0V) 조건에 따라 초기 E로 OCP로, 0V를 최종 E로, 스캔 속도를 0.01V/s로 설정합니다. 프로그램을 실행합니다.
   3. 데이터를 수집하고, 프로그램을 닫고, 비커와 전극을 세척하고, 특정 테스트에 필요한 기타 솔루션을 추가합니다.
6. 실험 후 전극을 세척하여 유리에 보관하십시오.
   참고: 실험 데이터는 EXCEL 형식으로 저장할 수 있습니다.

4. 전극의 구조적 특성

참고: XRD는 샘플을 분석하는 쉽고 신뢰할 수 있는 방법입니다. XRD는 탄소 천에 전기 도금된 Au와 같은 전극 요소를 감지하는 데 사용됩니다. XRD 테스트는 전극의 잠재적인 부식 및 열화를 분석하기 위해 FC 특성화 전후에 수행됩니다. 예를 들어, Au 입자는 CF에서 분리될 수 있으며, 니켈 부식은 산성 용액에서 발생할 수 있다⁵.

1. 전극을 탈이온수(2회)로 세척하고 실온에서 공기 중에서 건조시킵니다.
2. 핀셋으로 전극의 금속을 긁어냅니다. 금속 분말을 모아 용기에 넣으십시오.
3. 금속 분말 샘플에 대해 XRD 테스트¹⁷을 수행합니다.
4. SEM을 사용하여 전극의 형태를 특성화하고 금과 탄소 섬유 천 사이의 침투 및 전기 도금을 조사합니다. 또한 SEM에 의한 니켈의 부식을 특성화합니다.

5. 데이터 처리 및 전력 출력 계산

1. 모든 데이터는 EXCEL에서 분석 할 수 있습니다. Excel 또는 Origin을 사용하여 데이터를 분석하고 실험 그래프를 그릴 수 있습니다.
2. OCP 데이터를 사용하여 전극의 선택성을 특성화할 수 있습니다(예: 표 또는 선 그림 사용). 테이블 범례에 평균 잠재 능력을 사용합니다. 일반적으로 선 그림은 FC의 안정성을 보여주는 데 사용됩니다.
3. LSV 데이터를 사용하여 FC의 출력 성능을 특성화합니다. EXCEL 파일에는 두 개의 데이터 열이 있습니다. 일반적으로 한 데이터 세트는 전위(U)를 나타내고 다른 데이터 세트는 기록된 전류(I)를 나타냅니다. 다음 방정식을 사용하여 전력 출력을 계산하십시오: P = U × I
   알림: 높은 전류(I) 값은 FC의 만족스러운 성능을 나타냅니다. 예를 들어, 전극 표면적이 크면 더 높은 전류가 발생합니다. FC의 성능을 나타내는 정규화된 매개변수는 전류 밀도(I_D)이며, 이는 전류를 전극의 표면적(A)으로 나눈 값과 같습니다.
4. 그런 다음 전력 밀도(PD)를 P D = U × I_D로 계산합니다.
   알림: 예비 데이터 값은 전류의 방향에 따라 음수가 될 수 있으므로 절대값을 취하는 것이 필수적이며, 이는 측정 중에 바람직하지 않습니다.
5. 단일 그림 내에서 U, I_, D 및 P_D 를 사용하여 파라미터를 비교하는 것은 간단합니다. I_D 를 x축에, U를 왼쪽 y축에, PD를 오른쪽 y축에 할당합니다.

결과

전기도금 결과
그림 2는 전기 도금 결과를 보여줍니다. 그림 2A는 X선 회절 결과를 나타냅니다. 그림 2B,C는 현미경 사진입니다. 그림 2D,E는 SEM 결과입니다. 탄소 섬유 천(CF)에 대한 금(Au)의 효과적인 증착은 그림 2B,C와 같이 탄소 섬유 ...

토론

몇 가지 파라미터는 용액 pH 및_H2O2농도를 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...

자료

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