JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Этот протокол знакомит с проектированием и оценкой инновационных трехмерных электродов для топливных элементов на основе перекиси водорода с использованием гальванической ткани из углеродного волокна и электродов из вспененного никеля. Результаты исследования подчеркивают потенциал перекиси водорода в качестве многообещающего кандидата для устойчивых энергетических технологий.

Аннотация

В углубленном исследовании безмембранных топливных элементов на основе перекиси водорода (H 2 O 2 FCs) показано, что перекись водорода (H 2 O2), углеродно-нейтральное соединение, подвергается электрохимическому разложению с образованием H 2 O, O2 и электрической энергии. Уникальные окислительно-восстановительныесвойства H 2 O2 делают его жизнеспособным кандидатом для применения в устойчивой энергетике. Предлагаемая безмембранная конструкция учитывает ограничения обычных топливных элементов, включая сложность изготовления и проблемы проектирования. Представлен новый трехмерный электрод, синтезированный с помощью гальванических технологий. Изготовленный из ткани из углеродного волокна с гальваническим покрытием Au в сочетании с никель-пенопластом, этот электрод демонстрирует улучшенную кинетику электрохимической реакции, что приводит к увеличению плотности мощности дляH2O2 FC. Производительность топливных элементов неразрывно связана с уровнем pH раствора электролита. Помимо применения в FC, такие электроды обладают потенциалом в портативных энергетических системах и в качестве катализаторов с большой площадью поверхности. В данном исследовании подчеркивается важность электродной инженерии в оптимизации потенциала Н2О2 как экологическичистого источника энергии.

Введение

Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое использует топливо и окислитель для преобразования химических веществ в электрическую энергию. FC имеют более высокую эффективность преобразования энергии, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания, поскольку они не связаны цикломКарно 1. Благодаря использованию таких видов топлива, как водород (H2)2, борогидрид-водород (NaBH 4)3 и аммиак (NH 3)4, FC стали перспективным источником энергии, который является экологически чистым и может достигать высоких эксплуатационных характеристик, предлагая значительный потенциал для снижения зависимости человека от ископаемого топлива. Тем не менее, технология FC сталкивается с определенными проблемами. Одной из распространенных проблем является внутренняя роль протонообменной мембраны (PEM) в системе FC, которая действует как защита от внутренних коротких замыканий. Интеграция электролитической мембраны способствует увеличению затрат на изготовление, сопротивлению внутренней цепи и архитектурной сложности5. Кроме того, преобразование односекционных ПЧ в многостековые матрицы создает дополнительные сложности из-за сложного процесса интеграции проточных каналов, электродов и пластин для увеличения выходной мощности и тока5.

За последние десятилетия были предприняты согласованные усилия для решения этих проблем, связанных с мембранами, и оптимизации системы ФК. Примечательно, что появление безмембранных конфигураций FC с использованием ламинарных копотоков при низких числах Рейнольда предложило инновационное решение. В таких установках граница раздела между двумя потоками функционирует как «виртуальная» протонпроводящая мембрана6. ФК на основе ламинарного потока (LFFC) были широко изучены с использованием преимуществ микрофлюидики 7,8,9,10. Тем не менее, LFFC требуют строгих условий, включая высокие затраты энергии на перекачку ламинарного топлива/окислителей, смягчение перекрестного потока реагентов в жидкостных потоках и оптимизацию гидродинамических параметров.

В последнее время Н2О2 вызывает интерес в качестве потенциального топлива и окислителя из-за своей углеродно-нейтральной природы, выделяя воду (Н2О)и кислород (О2) в процессах электроокисления и электровосстановления на электродах11,12. Н2О2 может быть массово получен с использованием двухэлектронного восстановительного процесса или двухэлектронного процесса окисления из воды12. Впоследствии, в отличие от других газообразных видов топлива, жидкое топливоH2O2может быть интегрировано в существующую бензиновую инфраструктуру 5. Кроме того, реакция диспропорционирования Н2О2 позволяет использовать Н2О2 как в качестве топлива, так и в качестве окислителя. На рисунке 1А показана схематическая структура архитектуры легкогоН2О2 ФК. По сравнению с традиционными FC 2,3,4, H 2 O 2FC использует преимущества «простоты» устройства. Yamasaki et al. продемонстрировали безмембранныеH2O2 FC, играющие роль как топлива, так и окислителя. Описанный механизм генерации электрической энергии вдохновил научное сообщество на продолжение данного направления исследований6. В дальнейшем механизмы электроокисления и электровосстановления сиспользованием Н2О2 в качестве топлива и окислителя были представлены следующими реакциями 13,14

В кислых средах:

Анод: H 2O 2 → O2 + 2H+ + 2e-; Ea1 = 0,68 В вс. SHE
Катод: Н2Н2Н2 +2Н++2е- →2Н2О; Ea2 = 1,77 В против ОНА
Итого: 2 Ч 2 О2 → 2Н 2 О + О 2

В основных носителях:

H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
Анод: HO 2- + OH- → O 2 + H2O + 2e-; Eb1 = 0,15 В по сравнению с ОНА
Катод: HO2- +H2O+2E- → 3OH-; Eb2 = 0,87 В против ОНА
Итого: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2

На рисунке 1Б показан принцип работы Н2О2 ФК. Н2О2 О2 отдаетэлектроны на аноде и принимает электроны на катоде. Перенос электронов между анодом и катодом происходит по внешней цепи, в результате чего происходит выработка электроэнергии. Теоретический потенциал холостого хода (OCP) H2 O2 FC составляет 1,09 В в кислых средах и 0,62 В в основных средах13. Однако многочисленные экспериментальные результаты показали более низкие значения, достигающие 0,75 В в кислых средах и 0,35 В в основных средах, по сравнению с теоретическим OCP. Это наблюдение можно объяснить наличием смешанного потенциала13. Кроме того, выходная мощность и токН2О 2 ФК не могут конкурировать с упомянутыми ФК 2,3,4 из-за ограниченной каталитической селективности электродов. Тем не менее, следует отметить, что нынешняя технология H2 O 2 FC может превзойти H2, NaBH4 и NH3 FC с точки зрения общей стоимости, как показано в таблице 1. Таким образом, повышенная каталитическая селективность электродов для электроокисления и электровосстановления Н2О2 остается существенной проблемой для этих устройств.

В этом исследовании мы представляем электрод с трехмерной пористой структурой для улучшения взаимодействия между электродом и топливомH2O2с целью увеличения скорости реакции и увеличения выходной мощности и тока. Мы также исследуем влияние рН раствора и концентрации H2 O2 на производительность ФК. Электродная пара, используемая в этом исследовании, состоит из позолоченной ткани из углеродного волокна и никелевой пены. Структурные характеристики проводятся с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), при этом в качестве основных параметров для FC-тестирования выступают кривые потенциала разомкнутой цепи (OCP), поляризации и выходной мощности.

протокол

1. Предварительная обработка материалов

ПРИМЕЧАНИЕ: Никелирующий пенопласт (коммерчески доступный, см. Таблицу материалов) размером 25 мм x 25 мм x 1,5 мм используется для анода H 2O2 FC.

  1. Погрузите образец Ni-foam в спирт и деионизированную (DI) воду, трижды проведите ультразвуковую обработку в течение 5 минут в растворителе и воде. Затем поместите Ni-foam на чистую стеклянную подложку.
  2. Используйте ткань из углеродного волокна (см. Таблицу материалов) в качестве катодной подложки. Разрежьте углеродную ткань на квадратные кусочки размером 25 мм х 25 мм с помощью ножниц.
  3. Погрузите образец из углеродной ткани в ацетон, 75% спирт, деионизированную воду и трижды проведите ультразвуковую обработку на 5 минут соответственно. Затем промойте угольную ткань деионизированной водой, чтобы удалить остатки спирта. Положите углеродную ткань на стеклянную подложку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Основываясь на обсуждаемых результатахисследований 15,16, Au в качестве катода и Ni в качестве анода были выбраны в качестве катализаторов для H 2 O 2 FC. Такие металлы, как Pt, Pd, Ni, Au и Ag, обладают специфической каталитической селективностью по отношению к реакции окисления или восстановления H 2 O2, что делает их подходящими электродными материалами. Волокнистый электрод Au@carbon сочетает в себе электрокаталитическую активность, стабильность и повышенную проводимость, что делает его подходящим выбором для безмембранных топливных элементов с перекисью водорода.

2. Гальваническое покрытие Au на углеродной ткани

  1. Приготовьте реагенты для гальванического покрытия, как указано в следующем: хлорауриновая кислота (HAuCl4), хлорид калия (KCl), соляная кислота (HCl) и деионизированная вода (см. Таблицу материалов).
  2. Приготовьте 80 мл растворов (в зависимости от объема стакана) в чистом стакане с 0,005 М HAuCl4, 0,1 М KCl и 0,01 М HCl. Закройте отверстие и перемешивайте раствор в течение 15 минут.
  3. Подготовьте гальванический материал из углеродной ткани и гальванический раствор. Процесс гальванического покрытия осуществляется электрохимической станцией (ЭС) (см. таблицу материалов).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь для нанесения покрытия выбраны три электрода: углеродная ткань в качестве рабочего электрода (WE), графитовый стержень в качестве контрэлектрода (CE) и Ag/AgCl (насыщенный раствор 1 M KCl) в качестве электрода сравнения (RE).
  4. Убедитесь, что каждый электрод зажимает правильный объект. Погрузите электроды в гальванический раствор.
  5. Запустите ES. Установите программу на метод хроноамперометрии, как показано на рисунке 1C. Убедитесь, что один круг осаждения выглядит следующим образом: рабочий потенциал 0,1 В в течение 0,1 с и потенциал покоя 0,2 В в течение 0,2 с. В результатеион AuCl 4- равномерно диффундирует вокруг WE.
    1. Установите гальванические круги на 800, 1600, 2400 и 3200 кругов. Запустите программу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, программа метода хроноамперометрии в ЭС не может достичь 1600 циклов. В качестве альтернативы, программа Multi-Potential Steps of ES также может быть использована для гальванического метода, того же выбора, что и для метода хроноамперометрии (см. инструкцию производителя).
  6. После гальванического покрытия закройте ES, упакуйте реагенты и соберите гальваническую ткань из углеродного волокна Au (Au@CF).
  7. Погрузите Au@CF в деионизированную воду три раза, чтобы удалить остатки раствора. Поместите его на стеклянную подложку для сушки на воздухе.
  8. Отрежьте непокрытую часть Au@CF, вызванную зажимами, чтобы предотвратить контакт части CF с растворами.
  9. Измерьте размер Au@CF (a: длина, b: ширина) с помощью линейки для вычисления плотности тока/мощности.

3. Характеристика эксплуатационных характеристик ФК

  1. Готовят растворы с двумя концентрациями: один для градиента рН (1 моль Н 2 О 2, рН = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13), а другой для градиента Н 2 О 2 (С НР) (рН = 1, СНР = 0,25 моль, 0,5 моль, 1 моль,2 моль).
  2. Охарактеризовать характеристики FC по ES с помощью двух электродов для OCP и трех электродов для кривых поляризации и выходной мощности (шаги 3.3-3.6).
  3. Повторно промойте Ni-foam и снова Au@CF с DI-водой два раза. Отложите их в сторону для ожидания.
  4. Получение данных OCP во время тестирования FC: OCP является важным параметром в производительности FC.
    1. Используйте Ni-foam как в качестве RE и CE, так и Au@CF в качестве WE. Добавьте раствор в тестовый стакан. Подсоедините электроды к ЭС. Включите ES.
    2. Установите в программе значение Open Circuit Potential - Time Method; Время работы: 400 с, интервал выборки: 0,1 с, верхний предел E: 1 В, нижний предел E: -1 В. Запустите программу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Часто требуется время, чтобы выход FC стабилизировался. Выполняйте измерения до тех пор, пока не будут получены стабильные результаты FC.
    3. Измерьте данные. Закройте программу. Вымойте стакан и электроды. Добавьте другие решения для конкретных тестов.
  5. Тестирование выходных характеристик FC на основе данных OCP. Здесь требуются только исходные данные кривой линейной вольтамперометрии (LSV). Дальнейшие выходные данные могут быть рассчитаны по кривой LSV.
    1. Повторно промойте Ni-foam и Au@CF деионизированной водой (повторите два раза). Используйте Ni-foam как RE и CE, Au@CF как WE. Добавьте раствор в тестовый стакан.
    2. Установите программу на LSV, OCP в качестве начального E, 0 В в качестве конечного E, скорость сканирования 0,01 В/с, что соответствует условиям обрыва цепи (OCP) и короткого замыкания (0 В). Запустите программу.
    3. Соберите данные, закройте программу, промойте стакан и электроды и добавьте другие необходимые растворы для конкретных тестов.
  6. После опытов вымойте электроды и храните их на стакане.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Данные эксперимента могут быть сохранены в формате EXCEL.

4. Структурная характеристика электродов

ПРИМЕЧАНИЕ: Дифрактометрия является простым и надежным методом анализа образцов. Дифрактометрия используется для обнаружения элементов электродов, таких как гальваническое покрытие Au на углеродной ткани. Дифрактометрические тесты проводятся до и после определения характеристик FC для анализа потенциальной коррозии и деградации электродов. Например, частицы Au могут отделяться от CF, а коррозия никеля может возникать в кислых растворах5.

  1. Промойте электроды деионизированной водой (два раза) и высушите их на воздухе при комнатной температуре.
  2. Соскребите пинцетом металлы с электродов. Соберите металлический порошок и поместите его в контейнер.
  3. Проводят рентгенофракционные тесты17на образцах металлического порошка.
  4. Используйте SEM для характеристики морфологии электродов и исследования инфильтрации и гальванического покрытия между тканью из золотого и углеродного волокна. Кроме того, характеризуют коррозию никеля методом СЭМ.

5. Обработка данных и расчет выходной мощности

  1. Все данные можно проанализировать в EXCEL. Используйте Excel или Origin для анализа данных и построения экспериментальных графиков.
  2. Используйте данные OCP для характеристики селективности электродов, например, с помощью таблицы или линейного рисунка. Используйте средний потенциал для условных обозначений таблицы. Как правило, линейная фигура используется для демонстрации устойчивости ФК.
  3. Используйте данные LSV для характеристики выходной производительности FC. В файле EXCEL есть два столбца данных. Как правило, один набор данных показывает потенциал (U), а другой — записанный ток (I). Рассчитайте выходную мощность, используя следующее уравнение: P = U × I
    ПРИМЕЧАНИЕ: Высокое значение тока (I) свидетельствует об удовлетворительной работе FC. Например, большая площадь поверхности электрода приводит к более высоким токам. Нормированным параметром, относящимся к характеристикам ФК, является плотность тока (I D), которая равна току, деленному на площадь поверхности (A) электродов: ID = I/A
  4. Впоследствии рассчитайте плотность мощности (ПД) по формуле: PD = U × ID
    ПРИМЕЧАНИЕ:Важно брать абсолютное значение, так как предварительные значения данных могут быть отрицательными из-за направления тока, что нежелательно при измерениях.
  5. Сравнение параметров с помощью U, ID и PD в пределах одной фигуры не вызывает затруднений. Назначьте ID на ось x, U на левую ось Y и PD на правую ось Y.

Результаты

Результаты гальванического покрытия
На рисунке 2 показаны результаты гальванического покрытия. На рисунке 2А показан результат рентгеноструктурного анализа. На рисунке 2B,C показаны микрофотографии. На рис...

Обсуждение

Несколько параметров существенно влияют на производительность безмембранного топливного элемента с перекисью водорода, помимо pH раствора и концентрацииH2O2. Выбор материала электрода определяет электрокаталитическую активность и стабильность, в то время как площадь пове?...

Раскрытие информации

Авторам не нужно заявлять о конфликтах.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальной программой исследований и разработок ключевых технологий Китая (2021YFA0715302 и 2021YFE0191800), Национальным фондом естественных наук Китая (61975035 и 52150610489) и Комиссией по науке и технологиям муниципалитета Шанхая (22ZR1405000).

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
AcetoneMerck & Co. Inc. (MRK)67-64-1solution for pre-process of materials
AlcoholMerck & Co. Inc. (MRK)64-17-5solution for pre-process of materials
Carbon fiber clothSoochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd.W0S1011substrate material for electroplating method
Electrochemistry station Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd.CHI600Edevice for electroplating method and fuel cell performance characterization
Gold chloride trihydrateShanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd.G141105-1gmain solute for electroplating method
Hydrochloric acidSinopharm Chemical ReagentCo., Ltd10011018adjustment of solution pH
Hydrogen peroxideSinopharm Chemical ReagentCo., Ltd10011208fuel of cell
Nickel foamWilltek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China)KSH-2011anode material for hydrogen peroxide fuel cell
Potassium chlorideShanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd.10016308additives for electroplating method
Scanning electron microscopeCarl Zeiss AGEVO 10structural characterization for sample
Sodium hydroxideSinopharm Chemical ReagentCo., Ltd10019718adjustment of solution pH
X-Ray differaction machineBruker CorporationD8 Advancestructural characterization for sample

Ссылки

  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". International Journal of Hydrogen Energy. 35 (16), 8816-8829 (2010).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены