Gelecek Vaat Eden Bir Temiz Enerji Kaynağı Olarak Membransız Hidrojen Peroksit Yakıt Hücreleri

Yakıt hücresi, kimyasalları elektrik enerjisine dönüştürmek için yakıt ve oksidan kullanan elektrokimyasal bir cihazdır. FC’ler, Carnot Döngüsü^1’e bağlı olmadıkları için geleneksel içten yanmalı motorlardan daha yüksek enerji dönüşüm verimliliğine sahiptir. Hidrojen (_H2)², borhidrür-hidrojen (NaBH4)³ ve amonyak (_NH3)⁴ gibi yakıtları kullanan FC’ler, çevresel olarak temiz ve yüksek performans elde edebilen, insanların fosil yakıtlara olan bağımlılığını azaltmak için önemli bir potansiyel sunan, umut verici bir enerji kaynağı haline gelmiştir. Bununla birlikte, FC teknolojisi belirli zorluklarla karşı karşıyadır. Yaygın bir sorun, FC sisteminde dahili kısa devrelere karşı bir koruma görevi gören bir proton değişim membranının (PEM) dahili rolüdür. Bir elektrolitik membranın entegrasyonu, artan üretim maliyetlerine, iç devre direncine ve mimari karmaşıklığa katkıda bulunur⁵. Ayrıca, tek bölmeli FC’leri çok yığınlı dizilere dönüştürmek, güç ve akım çıkışlarını geliştirmek için akış kanallarını, elektrotları ve plakaları entegre etmenin karmaşık süreci nedeniyle ek komplikasyonlar ortaya çıkarır⁵.

Geçtiğimiz on yıllar boyunca, membranla ilgili bu zorlukların üstesinden gelmek ve FC sistemini düzene sokmak için ortak çabalar sarf edilmiştir. Özellikle, düşük Reynold sayılarında laminer ko-akışlar kullanan membransız FC konfigürasyonlarının ortaya çıkması yenilikçi bir çözüm sunmuştur. Bu tür kurulumlarda, iki akış arasındaki arayüz “sanal” bir proton ileten zar⁶ olarak işlev görür. Laminer akış tabanlı FC’ler (LFFC’ler), mikroakışkanların^{faydalarından} yararlanılarak geniş çapta incelenmiştir 7,8,9,10. Bununla birlikte, LFFC’ler, laminer yakıtların/oksidanların pompalanması için yüksek enerji girişi, akışkan akışlarında reaktan geçişinin azaltılması ve hidrodinamik parametrelerin optimizasyonu dahil olmak üzere katı koşullar gerektirir.

Son zamanlarda, H2O2, elektrotlarda elektrooksidasyon ve elektroredüksiyon işlemleri sırasında su (_H2O) ve oksijen (_O2) verenkarbon-nötr yapısı nedeniyle potansiyel bir yakıt ve oksidan olarak ilgi görmüştür^11,12. H2O2, iki elektronlu bir indirgeme işlemi veya su^12’den iki elektronlu bir oksidasyon işlemi kullanılarak seri üretilebilir. Daha sonra, diğer gaz yakıtların aksine, sıvı H 2 O₂yakıtı mevcut benzin altyapısına ^{entegre edilebilir 5}. Ayrıca, H2O2 orantısızlık reaksiyonu,_H2O2’ninhemyakıt hem de oksidan olarak servis edilmesini mümkün kılar. Şekil 1A, basit bir H 2 O₂FC mimarisinin şematik yapısını göstermektedir. Geleneksel FC ^2,3,4 ile karşılaştırıldığında, H 2 O₂ FC^, cihazın “basitliğinin” avantajlarını kullanır. Yamasaki ve ark. hem yakıt hem de oksidan rolü oynayan membransız_H2O2FC’leri gösterdi. Açıklanan elektrik enerjisi üretim mekanizması, araştırma topluluklarına bu araştırma yönünü sürdürmeleri için ilham vermiştir⁶. Daha sonra,_H2O2’yiyakıt ve oksidan olarak kullanan elektrooksidasyon ve elektroredüksiyon mekanizmaları aşağıdaki reaksiyonlarla temsil edilmiştir^13,14

Asidik ortamda:

Anot:_H2O2→_O2 + 2H⁺ + 2e^–; E_a1 = 0.68 V vs. O
Katot: H2O2 + 2H⁺ + 2e^– →_2H2O; E_a2 = 1.77 V ve O
Toplam: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

Temel medyada:

_H2O2+ OH- → HO₂^– +_H2O
Anot: HO 2- + OH^– → O 2 + H ₂ O + 2e^–; E_b1 = 0,15 V ile karşılaştırılır. O
Katot: HO 2- + H₂O + 2e- → ^3OH–; E_b2 = 0,87 V ile karşılaştırılır. O
Toplam: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

Şekil 1B, H2O2FC’lerin çalışma prensibini göstermektedir._H2O2anotta elektron bağışlar ve katotta elektronları kabul eder. Anot ve katot arasındaki elektron transferi, harici bir devre aracılığıyla gerçekleşir ve bu da elektrik üretimi ile sonuçlanır. H2O2FC’nin teorik açık devre potansiyeli(OCP) asidik ortamda 1.09 V ve bazik ortamda 0.62 V’tur¹³. Bununla birlikte, çok sayıda deneysel sonuç, teorik OCP’ye kıyasla asidik ortamda 0,75 V’a ve bazik ortamda 0,35 V’a ulaşan daha düşük değerler göstermiştir. Bu gözlem, karışık bir potansiyelin^{varlığına bağlanabilir 13}. Ek olarak, H2O2FC’lerin güç ve akım çıkışı, elektrotların sınırlı katalitik seçiciliği nedeniyle belirtilenFC’ler 2,3,4 ile rekabet edemez. Bununla birlikte, mevcut H 2 O 2 FC teknolojisinin, Tablo 1’de gösterildiği gibi, toplam maliyet açısından H₂, NaBH₄ ve NH₃ FC’lerden daha iyi performans gösterebilmesi dikkat çekicidir. Bu nedenle,_H2O2elektrooksidasyonu ve elektroredüksiyon için elektrotların gelişmiş katalitik seçiciliği, bu cihazlar için önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Bu çalışmada, reaksiyon hızını artırmayı ve güç ve akım çıkışını artırmayı amaçlayan, elektrot ve_H2O2yakıtı arasındaki etkileşimi iyileştirmek için üç boyutlu gözenekli yapılı bir elektrot sunuyoruz. Ayrıca çözelti pH’ı ve_H2O2konsantrasyonunun FC’nin performansı üzerindeki etkisini de araştırıyoruz. Bu çalışmada kullanılan elektrot çifti, altın elektrolizle kaplanmış bir karbon fiber kumaş ve nikel köpükten oluşur. Yapısal karakterizasyon, FC testi için birincil parametreler olarak hizmet veren Açık Devre Potansiyeli (OCP), polarizasyon ve güç çıkış eğrileri ile X-ışını Kırınımı (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak gerçekleştirilir.