خلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية كمصدر واعد للطاقة النظيفة

خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يستخدم الوقود والمؤكسد لتحويل المواد الكيميائية إلى طاقة كهربائية. تتمتع FCs بكفاءة تحويل طاقة أعلى من محركات الاحتراق التقليدية لأنها غير ملزمة بدورة Carnot¹. من خلال استخدام أنواع الوقود مثل الهيدروجين (H 2) ² ، بوروهيدريد الهيدروجين (NaBH 4) 3 ، والأمونيا (NH ³)₄ ، أصبحت FCs مصدرا واعدا للطاقة نظيفا بيئيا ويمكن أن يحقق أداء عاليا ، مما يوفر إمكانات كبيرة لتقليل اعتماد الإنسان على الوقود الأحفوري. ومع ذلك ، تواجه تقنية FC تحديات محددة. إحدى المشكلات السائدة هي الدور الداخلي لغشاء تبادل البروتون (PEM) في نظام FC ، والذي يعمل كضمان ضد الدوائر القصيرة الداخلية. يساهم تكامل الغشاء الإلكتروليتي في زيادة تكاليف التصنيع ومقاومة الدوائر الداخلية والتعقيد المعماري⁵. علاوة على ذلك ، فإن تحويل FCs أحادية الحجرة إلى صفائف متعددة المكدسات يؤدي إلى تعقيدات إضافية بسبب العملية المعقدة لدمج قنوات التدفق والأقطاب الكهربائية والألواح لتعزيز الطاقة ومخرجات التيار⁵.

على مدى العقود الماضية ، بذلت جهود متضافرة لمواجهة هذه التحديات المتعلقة بالأغشية وتبسيط نظام FC. والجدير بالذكر أن ظهور تكوينات FC الخالية من الأغشية باستخدام التدفقات المشتركة الصفحية بأرقام رينولد المنخفضة قد قدم حلا مبتكرا. في مثل هذه الإعدادات ، تعمل الواجهة بين تدفقين كغشاء “افتراضي” موصل للبروتون⁶. تمت دراسة FCs القائمة على التدفق الصفحي (LFFCs) على نطاق واسع ، والاستفادة من فوائد الموائع الدقيقة⁷،^8،9،10. ومع ذلك ، تتطلب LFFCs ظروفا صارمة ، بما في ذلك مدخلات الطاقة العالية لضخ الوقود الصفحي / المؤكسدات ، والتخفيف من تقاطع المواد المتفاعلة في التيارات السائلة ، وتحسين المعلمات الهيدروديناميكية.

في الآونة الأخيرة ، اكتسب H 2 O 2 اهتماما كوقود محتمل ومؤكسد بسبب طبيعته المحايدة للكربون ، مما ينتج عنه الماء (H 2 O) والأكسجين (O₂) أثناء عمليات الأكسدة الكهربائية والاختزال الكهربائي في الأقطاب الكهربائية^11,12. يمكن إنتاجH 2 O₂ بكميات كبيرة باستخدام عملية اختزال إلكترونين أو عن طريق عملية أكسدة ثنائية الإلكترون من الماء¹². بعد ذلك ، على عكس أنواع الوقود الغازية الأخرى ، يمكن دمج وقود H 2O₂ السائل في البنية التحتية الحالية للبنزين ⁵. إلى جانب ذلك ، فإن تفاعل عدم التناسب H 2 O 2 يجعل من الممكن تقديم H 2 O₂كوقود ومؤكسد. يوضح الشكل 1A بنية تخطيطية لبنية H 2 O₂FC السهلة. بالمقارنة مع FCs^{التقليدية} 2،^{3،4 ،} يستخدم H 2 O₂FC مزايا “بساطة” الجهاز. أظهر ياماساكي وآخرون H 2 O₂FCs بدون غشاء ، حيث لعبوا دور كل من الوقود والأكسدة. ألهمت الآلية الموصوفة لتوليد الطاقة الكهربائية مجتمعات البحث لمواصلة هذا الاتجاه البحثي⁶. بعد ذلك ، تم تمثيل آليات الأكسدة الكهربائية والاختزال الكهربائي باستخدامH 2 O₂ كوقود ومؤكسد من خلال التفاعلات التالية^13,14

في الوسائط الحمضية:

الأنود: H 2 O2 → O₂ + 2H ⁺ + 2e^– ؛ E_a1 = 0.68 فولت مقابلثانية.
الكاثود: H 2 O 2 + 2H + ⁺ 2e^– → 2H₂ O ؛ E_a2 = 1.77 فولت مقابل. هي
المجموع: 2 ساعات 2 O2 → 2H₂O +_{O 2}

في وسائل الإعلام الأساسية:

H₂O 2 + ^OH– → HO 2^– + H ₂O
الأنود: HO 2– + ^OH– → O 2 + H₂ O +2e^– ؛ E_b1 = 0.15 فولت مقابل. هي
الكاثود: HO 2- + H₂O + 2e^– → ^3OH- ؛ E_b2 = 0.87 فولت مقابل. هي
المجموع: 2 ساعة 2 س 2 → 2 ساعة₂س +_{س 2}

يوضح الشكل 1B مبدأ عمل H 2 O 2 FCs. H 2 O₂ يمنح الإلكترونات عند الأنود ويستقبل الإلكترونات عند المهبط. يحدث نقل الإلكترون بين الأنود والكاثود من خلال دائرة خارجية ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء. جهد الدائرة المفتوحة النظري (OCP) ل H 2O₂ FC هو 1.09 فولت في الوسائط الحمضية و 0.62 فولت في الوسائط الأساسية¹³. ومع ذلك ، فقد أظهرت العديد من النتائج التجريبية قيما أقل ، تصل إلى 0.75 فولت في الوسائط الحمضية و 0.35 فولت في الوسائط الأساسية ، مقارنة ب OCP النظري. يمكن أن تعزى هذه الملاحظة إلى وجود إمكانات مختلطة¹³. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن أن تتنافس الطاقة والإخراج الحالي ل H₂O 2 FCs مع FCs₂،^3،4المذكورة بسبب الانتقائية التحفيزية المحدودة للأقطاب الكهربائية. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن تقنية H 2O 2 FC الحالية يمكن أن تتفوق على H₂ و NaBH ₄ و NH₃ FCs من حيث التكلفة الإجمالية ، كما هو موضح في الجدول 1. وبالتالي ، فإن الانتقائية التحفيزية المحسنة للأقطاب الكهربائية للأكسدة الكهربائيةH 2 O₂ والاختزال الكهربائي لا تزال تمثل تحديا كبيرا لهذه الأجهزة.

في هذه الدراسة ، نقدم قطب كهربائي ثلاثي الأبعاد للهيكل المسامي لتحسين التفاعل بين القطب ووقود H₂O₂ ، بهدف زيادة معدل التفاعل وتعزيز الطاقة وإخراج التيار. نحقق أيضا في تأثير درجة الحموضة في المحلول وتركيزH 2 O₂ على أداء FC. يتكون زوج الأقطاب الكهربائية المستخدم في هذه الدراسة من قماش من ألياف الكربون مطلية بالذهب ورغوة النيكل. يتم إجراء التوصيف الهيكلي باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ، مع إمكانات الدائرة المفتوحة (OCP) والاستقطاب ومنحنيات خرج الطاقة التي تعمل كمعلمات أساسية لاختبار FC.