Membranlose Wasserstoffperoxid-Brennstoffzellen als vielversprechende saubere Energiequelle

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das Brennstoff und Oxidationsmittel verwendet, um Chemikalien in elektrische Energie umzuwandeln. FCs haben einen höheren Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung als herkömmliche Verbrennungsmotoren, da sie nicht an den Carnot-Zyklus¹ gebunden sind. Durch die Verwendung von Brennstoffen wie Wasserstoff (_H2)², Borhydrid-Wasserstoff (NaBH 4)3 und Ammoniak (NH₃)₄ sind FCs zu einer vielversprechenden Energiequelle geworden, die umweltfreundlich ist und eine hohe Leistung erzielen kann, was ein erhebliches Potenzial zur Verringerung der menschlichen Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bietet. Die BZ-Technologie steht jedoch vor besonderen Herausforderungen. Ein weit verbreitetes Problem ist die interne Rolle einer Protonenaustauschmembran (PEM) im FC-System, die als Schutz gegen interne Kurzschlüsse dient. Die Integration einer elektrolytischen Membran trägt zu höheren Herstellungskosten, internem Schaltungswiderstand und architektonischer Komplexität^{bei 5}. Darüber hinaus führt die Umwandlung von Single-Compartment-FCs in Multi-Stack-Arrays zu zusätzlichen Komplikationen aufgrund des komplizierten Prozesses der Integration von Durchflusskanälen, Elektroden und Platten zur Verbesserung der Leistungs- und Stromausgänge⁵.

In den letzten Jahrzehnten wurden konzertierte Anstrengungen unternommen, um diese membranbezogenen Herausforderungen anzugehen und das FC-System zu rationalisieren. Insbesondere das Aufkommen membranloser FC-Konfigurationen mit laminaren Gleichströmungen bei niedrigen Reynoldszahlen hat eine innovative Lösung geboten. In solchen Anordnungen fungiert die Grenzfläche zwischen zwei Strömungen als “virtuelle” protonenleitende Membran⁶. Laminar-Flow-basierte FCs (LFFCs) wurden umfassend untersucht und nutzen die Vorteile der Mikrofluidik 7,8,9,10. LFFCs erfordern jedoch strenge Bedingungen, einschließlich eines hohen Energieaufwands für das Pumpen laminarer Kraftstoffe/Oxidationsmittel, der Minderung des Reaktantenübergangs in fluidischen Strömungen und der Optimierung hydrodynamischer Parameter.

In jüngster Zeit hat H2O2 als potenzieller Brennstoff und Oxidationsmittel an Interesse gewonnen, da es kohlenstoffneutral ist und Wasser (_H2O) und Sauerstoff (O2) bei Elektrooxidations- und Elektroreduktionsprozessen an Elektroden^11,12 liefert. _H2O2kann unter Verwendung eines Zwei-Elektronen-Reduktionsverfahrens oder durch eines Zwei-Elektronen-Oxidationsprozesses aus Wasser¹² in Massenproduktion hergestellt werden. Anschließend kann flüssiger_{H2O2-Kraftstoff}im Gegensatz zu anderen gasförmigen Kraftstoffen in die bestehende Benzininfrastruktur integriert werden ⁵. Außerdem ermöglicht es die H2O2-Disproportionierungsreaktion,_H2O2sowohl als Brennstoffals auch als Oxidationsmittel zu dienen. Figur 1A zeigt einen schematischen Aufbau einer einfachen H2O2FC-Architektur. Im Vergleich zu herkömmlichen FCs ^2,3,4 nutzt der_H2O2FC die Vorteile der Geräte-“Einfachheit”. Yamasaki et al. demonstrierten membranlose H2O2-FCs, die sowohl als Brennstoff als auch als Oxidationsmittel dienen. Der beschriebene Mechanismus der elektrischen Energieerzeugung hat Forschungsgemeinschaften dazu inspiriert, diese Forschungsrichtung fortzusetzen⁶. In der Folge wurden Elektrooxidations- und Elektroreduktionsmechanismen unter Verwendung von_H2O2als Brennstoff und Oxidationsmittel durch die folgenden Reaktionen dargestellt:^13,14

In den sauren Medien:

Anode: H2O2 →_O2 + 2H⁺+^2E-; E_a1 = 0,68 V vs. SHE
Kathode: H2O2 + 2H⁺+2E^– → _2H2O; E_a2 = 1,77 V vs. SIE
Gesamt: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O₂

In den Basismedien:

H₂O 2 ^{+ OH-} → HO 2^– + H ₂O
Anode: HO₂– + OH- → O2 +_H2 O + 2E^–; E_b1 = 0,15 V vs. SIE
Kathode: HO₂– +_H2O+ 2e- → ^3OH–; E_b2 = 0,87 V vs. SIE
Gesamt: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O₂

Abbildung 1B veranschaulicht das Funktionsprinzip von H2O2FCs._H2O2 spendet Elektronen an der Anode und nimmt Elektronen an der Kathode auf. Der Elektronentransfer zwischen Anode und Kathode erfolgt über einen externen Stromkreis, was zur Erzeugung von Elektrizität führt. Das theoretische Leerlaufpotential (OCP) von_H2O2FC beträgt 1,09 V in sauren Medien und_0,62 V in basischen Medien¹³. Zahlreiche experimentelle Ergebnisse zeigten jedoch niedrigere Werte von bis zu 0,75 V in sauren Medien und 0,35 V in basischen Medien im Vergleich zur theoretischen OCP. Diese Beobachtung kann auf das Vorhandensein eines gemischten Potentials^{zurückgeführt werden 13}. Darüber hinaus kann die Leistung und Stromabgabe vonH2O2-FCs aufgrund der begrenzten katalytischen Selektivität der Elektroden nicht mit den genannten FCs 2,3,4 konkurrieren. Bemerkenswert ist jedoch, dass die derzeitige H2O2-FC-Technologie_H2-, NaBH4– und NH3-FCs in Bezug auf die Gesamtkosten übertreffen kann, wie in Tabelle 1 dargestellt. Daher bleibt die verbesserte katalytische Selektivität von Elektroden für die H2O2-Elektrooxidation und Elektroreduktion eine große Herausforderung für diese Geräte.

In dieser Studie führen wir eine dreidimensionale Elektrode mit poröser Struktur ein, um die Wechselwirkung zwischen der Elektrode und dem_{H2O2-Kraftstoff}zu verbessern, mit dem Ziel, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und die Leistung und Stromabgabe zu verbessern. Wir untersuchen auch den Einfluss des pH-Werts der Lösung und der_{H2O2-Konzentration} auf die Leistung des FC. Das in dieser Studie verwendete Elektrodenpaar besteht aus einem vergoldeten Kohlefasergewebe und Nickelschaum. Die strukturelle Charakterisierung erfolgt mittels Röntgenbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (REM), wobei das Leerlaufpotential (OCP), die Polarisation und die Ausgangsleistungskurven als primäre Parameter für die FC-Prüfung dienen.