クリーンエネルギー源として有望なメンブレンレス過酸化水素燃料電池

要約

このプロトコルでは、Au電気めっき炭素繊維クロスとNiフォーム電極を利用した、過酸化水素燃料電池用の革新的な3次元電極の設計と評価を紹介します。この研究結果は、過酸化水素が持続可能なエネルギー技術の有望な候補としての可能性を浮き彫りにしています。

要約

メンブレンレス過酸化水素ベースの燃料電池(H2O2FC)の詳細な調査では、カーボンニュートラル化合物である過酸化水素(H2O2)が電気化学的分解を受けて_H2O、_O2、および電気エネルギーを生成することが実証されている。H₂O₂のユニークな酸化還元特性は、それを持続可能なエネルギー用途の実行可能な候補として位置付けます。提案されたメンブレンレス設計は、製造の複雑さや設計上の課題など、従来の燃料電池の限界に対処します。電気めっき技術で合成された新しい3次元電極を紹介します。この電極は、Niフォームと組み合わせたAu電気メッキされた炭素繊維クロスで構成されており、電気化学反応速度論が強化されており、H₂O₂ FCの電力密度が向上しています。燃料電池の性能は、電解液のpHレベルと複雑に関係しています。FC用途以外にも、このような電極はポータブルエネルギーシステムや高表面積触媒としての可能性を秘めています。この研究は、環境に優しいエネルギー源としての_H2O2の可能性を最適化する上での電極工学の重要性を強調しています。

概要

燃料電池は、燃料と酸化剤を利用して化学物質を電気エネルギーに変換する電気化学デバイスです。FCは、カルノーサイクル¹に縛られないため、従来の内燃機関よりもエネルギー変換効率が高くなります。水素(_H2)²、水素化ホウ素水素(NaBH4)³、アンモニア(_NH3)⁴などの燃料を利用することで、環境に優しく高性能なエネルギー源として期待されており、化石燃料への依存度を下げる大きな可能性を秘めています。しかし、FCテクノロジーは特有の課題に直面しています。一般的な問題の1つは、FCシステムにおけるプロトン交換膜(PEM)の内部の役割であり、内部短絡に対する保護手段として機能します。電解膜の一体化は、製造コスト、内部回路抵抗、およびアーキテクチャ^{の複雑さの増加}に寄与します5。さらに、シングルコンパートメントFCをマルチスタックアレイに変換すると、流路、電極、プレートを統合して電力と電流の出力を強化する複雑なプロセスにより、さらに複雑^{になります5。}

過去数十年にわたり、これらの膜関連の課題に対処し、FCシステムを合理化するために協調的な取り組....

プロトコル

1. 材料の前処理

注:H₂O₂ FCのアノードには、25 mm x 25 mm x 1.5 mmのNiフォーム(市販、材料表を参照)が使用されています。

1. Niフォームサンプルをアルコールと脱イオン(DI)水に浸し、溶媒と水で5分間、3回超音波処理します。続いて、Niフォームをきれいなガラス基板の上に置きます。
2. 炭素繊維クロス( 材料表を参照)をカソード基板として使用します。カーボンクロスをハサミで25mm×25mm角にカットします。
3. カーボンクロスサンプルをアセトン、75%アルコール、脱イオン水に浸し、それぞれ5分間3回超音波処理します。次に、カーボンクロスを純水で洗い流し、アルコールの残留物を取り除きます。カーボンクロスをガラス基板の上に置きます。
   注:議論された研究結果^15,16に基づいて、陰極としてAu、陽極としてNiがH₂O 2 FCの触媒として選択されました。 Pt、Pd、Ni、Au、およびAgなどの金属は、H 2_{O 2}の酸化または還元反応に対して特定の触媒選択性を有し、それ....

結果

電気めっき結果
図2に電気めっきの結果を示します。 図2A にX線回折結果を示す。 図2B、C は顕微鏡写真です。 図2D、E はSEMの結果です。炭素繊維クロス(CF)への金(Au)の効果的な析出は、 図2B、Cに示すように、炭素繊維クロス内の.......

ディスカッション

いくつかのパラメータは、溶液のpHおよび_H2O2濃度を超えて、メンブレンレス過酸化水素燃料電池の性能に大きく影響します。電極材料の選択は電気触媒活性と安定性を決定し、電極の表面積は反応部位を増強することができます。動作温度は反応速度論に影響を与え、反応物の流量は燃料と酸化剤の混合効率を決定する可能性があります。使用する触媒の濃度は反応速度にと.......

資料

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