Безмембранные топливные элементы на основе перекиси водорода как перспективный источник чистой энергии

Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое использует топливо и окислитель для преобразования химических веществ в электрическую энергию. FC имеют более высокую эффективность преобразования энергии, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания, поскольку они не связаны циклом^{Карно 1}. Благодаря использованию таких видов топлива, как водород (_H2)², борогидрид-водород (NaBH 4)3 и аммиак (NH ³)₄, FC стали перспективным источником энергии, который является экологически чистым и может достигать высоких эксплуатационных характеристик, предлагая значительный потенциал для снижения зависимости человека от ископаемого топлива. Тем не менее, технология FC сталкивается с определенными проблемами. Одной из распространенных проблем является внутренняя роль протонообменной мембраны (PEM) в системе FC, которая действует как защита от внутренних коротких замыканий. Интеграция электролитической мембраны способствует увеличению затрат на изготовление, сопротивлению внутренней цепи и архитектурной сложности⁵. Кроме того, преобразование односекционных ПЧ в многостековые матрицы создает дополнительные сложности из-за сложного процесса интеграции проточных каналов, электродов и пластин для увеличения выходной мощности и тока⁵.

За последние десятилетия были предприняты согласованные усилия для решения этих проблем, связанных с мембранами, и оптимизации системы ФК. Примечательно, что появление безмембранных конфигураций FC с использованием ламинарных копотоков при низких числах Рейнольда предложило инновационное решение. В таких установках граница раздела между двумя потоками функционирует как «виртуальная» протонпроводящая мембрана⁶. ФК на основе ламинарного потока (LFFC) были широко изучены с использованием преимуществ микрофлюидики 7,8,9,10. Тем не менее, LFFC требуют строгих условий, включая высокие затраты энергии на перекачку ламинарного топлива/окислителей, смягчение перекрестного потока реагентов в жидкостных потоках и оптимизацию гидродинамических параметров.

В последнее время Н2О2 вызывает интерес в качестве потенциального топлива и окислителя из-за своей углеродно-нейтральной природы, выделяя воду (Н2О)и кислород (О2) в процессах электроокисления и электровосстановления на электродах^11,12. Н2О2 может быть массово получен с использованием двухэлектронного восстановительного процесса или двухэлектронного процесса окисления из воды₁₂. Впоследствии, в отличие от других газообразных видов топлива, жидкое топливо_H2O2может быть интегрировано в существующую бензиновую инфраструктуру ⁵. Кроме того, реакция диспропорционирования Н2О2 позволяет использовать Н2О2 как в качестве топлива, так и в качестве окислителя. На рисунке 1А показана схематическая структура архитектуры легкого_Н2О₂ ФК. По сравнению с традиционными FC ^2,3,4, H 2 O ₂FC использует преимущества «простоты» устройства. Yamasaki et al. продемонстрировали безмембранные_H2O₂ FC, играющие роль как топлива, так и окислителя. Описанный механизм генерации электрической энергии вдохновил научное сообщество на продолжение данного направления исследований⁶. В дальнейшем механизмы электроокисления и электровосстановления сиспользованием Н2О2 в качестве топлива и окислителя были представлены следующими реакциями ^13,14

В кислых средах:

Анод: H 2O 2 → O₂ + 2H⁺ + 2e^–; E_a1 = 0,68 В вс. SHE
Катод: Н2Н2Н2 +_2Н++2е^– →_2Н2О; E_a2 = 1,77 В против ОНА
Итого: 2 Ч 2 О2 → 2Н 2 О + О ₂

В основных носителях:

H 2 O 2 ^{+ OH-} → HO 2^– + H ₂ O
Анод: HO 2- + OH- → O 2 + H₂O + 2e^–; E_b1 = 0,15 В по сравнению с ОНА
Катод: ^HO2– +H2O⁺_2E– → 3OH^–; E_b2 = 0,87 В против ОНА
Итого: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

На рисунке 1Б показан принцип работы Н2О2 ФК. Н2О2 _О2 отдаетэлектроны на аноде и принимает электроны на катоде. Перенос электронов между анодом и катодом происходит по внешней цепи, в результате чего происходит выработка электроэнергии. Теоретический потенциал холостого хода (OCP) H2 O₂ FC составляет 1,09 В в кислых средах и 0,62 В в основных средах¹³. Однако многочисленные экспериментальные результаты показали более низкие значения, достигающие 0,75 В в кислых средах и 0,35 В в основных средах, по сравнению с теоретическим OCP. Это наблюдение можно объяснить наличием смешанного потенциала¹³. Кроме того, выходная мощность и ток_Н2О 2 ФК не могут конкурировать с упомянутыми ФК ^2,3,4 из-за ограниченной каталитической селективности электродов. Тем не менее, следует отметить, что нынешняя технология H2 O 2 FC может превзойти H₂, NaBH₄ и NH₃ FC с точки зрения общей стоимости, как показано в таблице 1. Таким образом, повышенная каталитическая селективность электродов для электроокисления и электровосстановления Н2О2 остается существенной проблемой для этих устройств.

В этом исследовании мы представляем электрод с трехмерной пористой структурой для улучшения взаимодействия между электродом и топливом_H2O2с целью увеличения скорости реакции и увеличения выходной мощности и тока. Мы также исследуем влияние рН раствора и концентрации H2 O₂ на производительность ФК. Электродная пара, используемая в этом исследовании, состоит из позолоченной ткани из углеродного волокна и никелевой пены. Структурные характеристики проводятся с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), при этом в качестве основных параметров для FC-тестирования выступают кривые потенциала разомкнутой цепи (OCP), поляризации и выходной мощности.