Células a combustível de peróxido de hidrogênio sem membrana como fonte promissora de energia limpa

Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que utiliza combustível e oxidante para converter produtos químicos em energia elétrica. Os FCs têm maior eficiência de conversão de energia do que os motores de combustão tradicionais, uma vez que não estão vinculados pelo Ciclo¹ de Carnot. Ao utilizar combustíveis como hidrogênio (H 2)², boroidreto-hidrogênio (NaBH 4)3 e amônia (NH ³)₄, os FCs tornaram-se uma fonte de energia promissora, ambientalmente limpa e capaz de alcançar alto desempenho, oferecendo um potencial significativo para reduzir a dependência humana de combustíveis fósseis. No entanto, a tecnologia FC enfrenta desafios específicos. Uma questão prevalente é o papel interno de uma membrana de troca de prótons (PEM) no sistema FC, que atua como uma proteção contra curtos-circuitos internos. A integração de uma membrana eletrolítica contribui para o aumento dos custos de fabricação, da resistência do circuito interno e da complexidade arquitetônica⁵. Além disso, a transformação de FCs de compartimento único em matrizes multipilha introduz complicações adicionais devido ao intrincado processo de integração de canais de fluxo, eletrodos e placas para melhorar as saídas de potência e corrente⁵.

Ao longo das últimas décadas, esforços conjuntos foram feitos para enfrentar esses desafios relacionados à membrana e simplificar o sistema de FC. Notavelmente, o surgimento de configurações de FC sem membrana usando cofluxos laminares em baixos números de Reynold ofereceu uma solução inovadora. Nessas configurações, a interface entre dois fluxos funciona como uma membrana condutora de prótons “virtual”⁶. Os CFs baseados em fluxo laminar (LFFCs) têm sido amplamente estudados, aproveitando os benefícios da microfluídica 7,8,9,10. No entanto, os LFFCs requerem condições rigorosas, incluindo alta entrada de energia para bombear combustíveis laminares/oxidantes, mitigação do cruzamento de reagentes em fluxos fluídicos e otimização de parâmetros hidrodinâmicos.

Recentemente, o H 2 O 2 tem ganhado interesse como potencial combustível e oxidante devido à sua natureza carbono neutro, produzindo água (H 2 O) e oxigênio (O₂) durante processos de eletrooxidação e eletrorredução em eletrodos^11,12. H 2O₂ pode ser produzido em massa usando um processo de redução de dois elétrons ou por um processo de oxidação de dois elétrons a partir da água¹². Posteriormente, em contraste com outros combustíveis gasosos, o combustível líquido H 2 O₂pode ser integrado à infraestrutura de gasolina existente ⁵. Além disso, a reação de desproporção de H 2 O 2 torna possível servir H 2 O₂ comocombustível e oxidante. A Figura 1A mostra uma estrutura esquemática da arquitetura de um fácil H 2 O₂FC. Em comparação com as CFs^{tradicionais2,3,4,} a CF H 2 O₂ utiliza as vantagens da “simplicidade” do dispositivo. demonstraram FCs H 2 O₂sem membrana, desempenhando o papel de combustível e oxidante. O mecanismo descrito de geração de energia elétrica inspirou comunidades de pesquisa a dar continuidade a essa direção de pesquisa⁶. Posteriormente, mecanismos de eletrooxidação e eletrorredução utilizando H 2 O₂como combustível e oxidante foram representados pelas seguintes reações^13,14

Na mídia ácida:

Ânodo: H 2O 2 → O₂ + 2H⁺ + 2e^–; E_a1 = 0,68 V vs. SHE
Catodo: H 2 O 2 + 2H⁺ + 2e^– → 2H₂ O; E_a2 = 1,77 V vs. ELA
Total: 2 H 2 O 2→ 2H 2 O + O ₂

Na mídia básica:

H 2 O 2 + OH- → HO 2^– + H ₂ O
Ânodo: HO 2- + OH- → O 2 + H₂ O + 2e^–; E_b1 = 0,15 V vs. ELA
Catodo: HO 2- + H₂O + 2e- → 3OH^–; E_b2 = 0,87 V vs. ELA
Total: 2 H 2 O 2→ 2H 2 O + O ₂

A Figura 1B ilustra o princípio de funcionamento de H 2 O 2 FCs. H 2 O₂ doa elétrons no ânodo e aceita elétrons no cátodo. A transferência de elétrons entre o ânodo e o cátodo ocorre através de um circuito externo, resultando na geração de eletricidade. O potencial teórico de circuito aberto (PCO) de H2 O₂ FC é de 1,09 V em meio ácido e 0,62 V em meio básico¹³. Entretanto, inúmeros resultados experimentais têm mostrado valores inferiores, chegando até 0,75 V em meio ácido e 0,35 V em meio básico, quando comparados ao OCP teórico. Essa observação pode ser atribuída à presença de um potencial^misto13. Além disso, a potência e a saída de corrente dos FCs H 2 O 2 não podem competir com os FCs mencionados ^2,3,4 devido à seletividade catalítica limitada dos eletrodos. No entanto, vale ressaltar que a tecnologia atual de CF H 2 O 2 pode superar as CFs H₂, NaBH₄ e NH₃ em termos de custo global, como mostra a Tabela 1. Assim, a maior seletividade catalítica dos eletrodos para eletrooxidaçãoe eletrorredução de H 2 O₂ permanece um desafio significativo para esses dispositivos.

Neste estudo, introduzimos um eletrodo de estrutura porosa tridimensional para melhorar a interação entre o eletrodo e o combustível H2 O₂, visando aumentar a taxa de reação e aumentar a potência e a saída de corrente. Investigamos também o impacto do pH da solução e da concentração de H 2 O₂no desempenho da CF. O par de eletrodos utilizado neste estudo é composto por um pano de fibra de carbono galvanizado a ouro e espuma de níquel. A caracterização estrutural é realizada usando Difração de Raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), com curvas de Potencial de Circuito Aberto (OCP), polarização e potência servindo como parâmetros primários para testes de FC.