תאי דלק ללא מי חמצן כמקור אנרגיה נקי מבטיח

תא דלק הוא מכשיר אלקטרוכימי המשתמש בדלק ובמחמצן כדי להמיר כימיקלים לאנרגיה חשמלית. למנועי FC יש יעילות המרת אנרגיה גבוהה יותר מאשר מנועי בעירה מסורתיים מכיוון שהם אינם מחויבים למחזור^{קרנו 1}. על ידי שימוש בדלקים כגון מימן (H 2)₂, בורוהידריד-מימן (NaBH 4)3 ואמוניה (NH ³)₄, FCs הפכו למקור אנרגיה מבטיח, נקי מבחינה סביבתית ויכול להשיג ביצועים גבוהים, המציע פוטנציאל משמעותי להפחתת התלות האנושית בדלקים מאובנים. עם זאת, טכנולוגיית FC עומדת בפני אתגרים ספציפיים. בעיה נפוצה אחת היא התפקיד הפנימי של קרום חילופי פרוטונים (PEM) במערכת FC, הפועל כהגנה מפני קצרים פנימיים. השילוב של ממברנה אלקטרוליטית תורם להגדלת עלויות הייצור, התנגדות המעגלים הפנימיים והמורכבות האדריכלית⁵. יתר על כן, הפיכת FCs בעלי תא יחיד למערכים מרובי מחסניות מציגה סיבוכים נוספים עקב התהליך המורכב של שילוב תעלות זרימה, אלקטרודות ולוחות לשיפור הספק ותפוקות זרם⁵.

במהלך העשורים האחרונים, נעשו מאמצים מרוכזים להתמודד עם אתגרים אלה הקשורים לממברנה ולייעל את מערכת FC. יש לציין כי הופעתן של תצורות FC חסרות ממברנה המשתמשות בזרימות משותפות למינריות במספרי ריינולד נמוכים הציעה פתרון חדשני. בתצורות כאלה, הממשק בין שתי זרימות מתפקד כקרום מוליך פרוטונים “וירטואלי”⁶. FCs מבוססי זרימה למינרית (LFFCs) נחקרו באופן נרחב, תוך מינוף היתרונות של מיקרופלואידיקה 7,8,9,10. עם זאת, LFFCs דורשים תנאים מחמירים, כולל קלט אנרגיה גבוה לשאיבת דלקים למינריים/מחמצנים, הפחתת הצלבת מגיבים בזרמים זורמים, ואופטימיזציה של פרמטרים הידרודינמיים.

לאחרונה, H 2 O 2 זכה להתעניינות כדלק ומחמצן פוטנציאלי בשל אופיו הניטרלי פחמן, המניב מים (H 2 O) וחמצן (O ₂) במהלך תהליכי אלקטרואוקסידציה ואלקטרו-רדוקציה באלקטרודות^11,12. H₂O₂ יכול להיות מיוצר בייצור המוני באמצעות תהליך חיזור של שני אלקטרונים או בתהליך חמצון של שני אלקטרונים ממים¹². בהמשך, בניגוד לדלקים גזיים אחרים, ניתן לשלב דלק נוזלי H 2 O₂בתשתית בנזין קיימת ⁵. חוץ מזה, תגובת חוסר הפרופורציה של H 2 O 2 מאפשרת לשרת את H 2 O₂הן כדלק והן כמחמצן. איור 1A מראה מבנה סכמטי של ארכיטקטורת H 2 O₂FC. בהשוואה ל- FCs ^2,3,4 מסורתיים^, H 2 O² FC מנצל את היתרונות של “פשטות” המכשיר. ימאסאקי ועמיתיו הדגימו H 2 O₂FCs ללא קרום, כשהם ממלאים את התפקיד של דלק ומחמצן כאחד. המנגנון המתואר של ייצור אנרגיה חשמלית נתן השראה לקהילות מחקר להמשיך בכיוון מחקר זה⁶. לאחר מכן, מנגנוני אלקטרואוקסידציה ואלקטרו-רדוקציה המשתמשים ב-H 2 O₂כדלק וכמחמצן יוצגו על ידי התגובות הבאות^13,14

במדיה החומצית:

אנודה: H 2 O2 → O₂ + 2H⁺ + 2e^–; E_a1 = 0.68 V לעומתs. SHE
קתודה: H 2 O 2 + 2H⁺ + 2e^– → 2H₂ O; E_a2 = 1.77 V לעומת היא
סה”כ: 2 שעות 2O 2 → 2H 2 O + O ₂

במדיה הבסיסית:

ח 2 O 2 ^{+ OH-} → HO 2^– + H ₂ O
אנודה: HO 2- ^{+ OH–} → O 2 + H₂ O + 2e^–; E_b1 = 0.15 V לעומת היא
קתודה: HO 2- + H₂O + ^2E- → 3OH^–; E_b2 = 0.87 V לעומת היא
סה”כ: 2 שעות 2O 2 → 2H 2 O + O ₂

איור 1B מדגים את עקרון העבודה של H 2 O2 FCs. H 2 O ₂תורם אלקטרונים באנודה ומקבל אלקטרונים בקתודה. מעבר אלקטרונים בין האנודה לקתודה מתרחש דרך מעגל חיצוני, וכתוצאה מכך נוצר חשמל. פוטנציאל המעגל הפתוח התאורטי (OCP) של H 2O₂ FC הוא 1.09 V במדיה חומצית ו-0.62 V במדיה בסיסית¹³. עם זאת, תוצאות ניסוי רבות הראו ערכים נמוכים יותר, שהגיעו עד 0.75 V במדיה חומצית ו 0.35 V במדיה בסיסית, בהשוואה OCP תיאורטי. ניתן לייחס תצפית זו לנוכחות של פוטנציאל מעורב¹³. בנוסף, ההספק והתפוקה הנוכחית של H 2 O 2 FCs אינם יכולים להתחרות עם FCs^2,3,4 שהוזכרו בשל הסלקטיביות הקטליטית המוגבלת של האלקטרודות. עם זאת, ראוי לציין כי הטכנולוגיה הנוכחית של H2 O 2 FC יכולה לעלות בביצועיה על H₂, NaBH₄ ו- NH₃ FCs במונחים של עלות כוללת, כפי שמוצג בטבלה 1. לפיכך, הסלקטיביות הקטליטית המשופרת של אלקטרודותעבור אלקטרואוקסידציה H 2 O₂ ואלקטרורדוקציה נותרה אתגר משמעותי עבור התקנים אלה.

במחקר זה, אנו מציגים אלקטרודה בעלת מבנה נקבובי תלת מימדי כדי לשפר את האינטראקציה בין האלקטרודה לבין דלק H 2O₂, במטרה להגביר את קצב התגובה ולשפר את ההספק ואת תפוקת הזרם. אנו גם חוקרים את ההשפעה של ריכוז pH תמיסה וריכוז H2 O₂ על ביצועי FC. זוג האלקטרודות המשמש במחקר זה כולל בד סיבי פחמן מצופה זהב וקצף ניקל. אפיון מבני מתבצע באמצעות עקיפה של קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), כאשר פוטנציאל מעגל פתוח (OCP), קיטוב ועקומות תפוקת כוח משמשים כפרמטרים העיקריים לבדיקת FC.