Pilas de combustible de peróxido de hidrógeno sin membrana como fuente prometedora de energía limpia

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que utiliza combustible y oxidante para convertir los productos químicos en energía eléctrica. Los FC tienen una mayor eficiencia de conversión de energía que los motores de combustión tradicionales, ya que no están sujetos al ciclo¹ de Carnot. Al utilizar combustibles como el hidrógeno (_H2)², el borohidruro de hidrógeno (NaBH 4)3 y el amoníaco (NH ³)₄, los FCs se han convertido en una fuente de energía prometedora que es ambientalmente limpia y puede lograr un alto rendimiento, ofreciendo un potencial significativo para reducir la dependencia humana de los combustibles fósiles. Sin embargo, la tecnología FC se enfrenta a retos específicos. Un problema frecuente es el papel interno de una membrana de intercambio de protones (PEM) en el sistema FC, que actúa como una protección contra cortocircuitos internos. La integración de una membrana electrolítica contribuye al aumento de los costos de fabricación, la resistencia del circuito interno y la complejidad arquitectónica⁵. Además, la transformación de FC de un solo compartimento en matrices de varias pilas presenta complicaciones adicionales debido al intrincado proceso de integración de canales de flujo, electrodos y placas para mejorar las salidas de potencia y corriente⁵.

En las últimas décadas, se han realizado esfuerzos concertados para abordar estos desafíos relacionados con las membranas y racionalizar el sistema de CF. En particular, la aparición de configuraciones de FC sin membrana que utilizan coflujos laminares a números de Reynold bajos ha ofrecido una solución innovadora. En tales configuraciones, la interfaz entre dos flujos funciona como una membrana conductora de protones “virtual”⁶. Los FC basados en flujo laminar (LFFC) han sido ampliamente estudiados, aprovechando los beneficios de la microfluídica 7,8,9,10. Sin embargo, los LFFC requieren condiciones estrictas, incluido un alto aporte de energía para bombear combustibles laminares/oxidantes, mitigación del cruce de reactivos en corrientes fluídicas y optimización de los parámetros hidrodinámicos.

Recientemente, el H2O2 ha ganado interés como combustible potencial y oxidante debido a su naturaleza neutra en carbono, produciendo agua (_H2O) y oxígeno (O2) durante los procesos de electrooxidación y electrorreducción en los electrodos^11,12. El H2 O2 puede producirse en masa mediante un proceso de reducción de dos electrones o mediante un proceso de oxidación de dos electrones a partir de agua₁₂. Posteriormente, a diferencia de otros combustibles gaseosos, el combustible líquido H2 _{O2 puede} integrarse en la infraestructura de gasolina existente 5. Además, la reacción dedesproporción de H 2 O 2 permite servir H 2 O ₂como combustible y oxidante. La Figura 1A muestra una estructura esquemática de la arquitectura de un FC fácilde H 2 O₂. En comparación con los FC tradicionales ^2,3,4, el H 2 O ₂FC utiliza las ventajas de la “simplicidad” del dispositivo. Yamasaki et al. demostraron los FC de H2_O2sin membrana, que desempeñan el papel de combustible y oxidante. El mecanismo descrito de generación de energía eléctrica ha inspirado a las comunidades de investigación a continuar con esta dirección de investigación⁶. Posteriormente, los mecanismos de electrooxidación y electrorreducción utilizando H2_O2como combustible y oxidante han sido representados por las siguientes reacciones^13,14

En los medios ácidos:

Ánodo: H 2O 2 → O₂ + 2H⁺ + 2e^–; E_a1 = 0.68 V vs. SHE
Cátodo: H 2 O 2 + 2H⁺ + 2E^– → 2H₂ O; E_a2 = 1,77 V vs. ELLA
Total: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O₂

En los medios básicos:

H 2 O 2 ^{+ OH-} → HO 2^– + H ₂ O
Ánodo: HO 2- + OH- → O 2 + H₂ O + 2e^–; E_b1 = 0,15 V vs. ELLA
Cátodo: HO 2– + H₂O + 2e- → 3OH^–; E_b2 = 0,87 V vs. ELLA
Total: 2 H 2 O 2 → 2H 2 O + O₂

La Figura 1B ilustra el principio de funcionamiento de los FC_H2O2. H 2 O₂dona electrones en el ánodo y acepta electrones en el cátodo. La transferencia de electrones entre el ánodo y el cátodo se produce a través de un circuito externo, lo que da como resultado la generación de electricidad. El potencial teórico de circuito abierto (OCP) de H2 O₂ FC es de 1,09 V en medios ácidos y de 0,62 V en medios básicos¹³. Sin embargo, numerosos resultados experimentales han mostrado valores más bajos, llegando hasta 0,75 V en medios ácidos y 0,35 V en medios básicos, en comparación con el OCP teórico. Esta observación puede atribuirse a la presencia de un potencial mixto¹³. Además, la potencia y la salida de corriente de los FC H 2 O₂no pueden competir con los FC 2,3,4 mencionados debido a la selectividad catalítica limitada de los electrodos. Sin embargo, cabe destacar que la tecnología actual de H 2 O 2 FC puede superar a los FC H₂, NaBH₄ y NH₃ en términos de costo total, como se muestra en la Tabla 1. Por lo tanto, la selectividad catalítica mejorada de los electrodos para la electrooxidación y la electrorreducción de H2_O2sigue siendo un desafío importante para estos dispositivos.

En este estudio, introducimos un electrodo de estructura porosa tridimensional para mejorar la interacción entre el electrodo y el combustible_H2O2, con el objetivo de aumentar la velocidad de reacción y mejorar la potencia y la salida de corriente. También investigamos el impacto del pH de la solución y la concentración de_H2O2en el rendimiento del FC. El par de electrodos utilizado en este estudio comprende un paño de fibra de carbono galvanizado en oro y espuma de níquel. La caracterización estructural se lleva a cabo mediante difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (SEM), con curvas de potencial de circuito abierto (OCP), polarización y potencia de salida que sirven como parámetros principales para las pruebas de FC.