Celle a combustibile a perossido di idrogeno senza membrana come promettente fonte di energia pulita

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che utilizza carburante e ossidante per convertire le sostanze chimiche in energia elettrica. I FC hanno una maggiore efficienza di conversione dell’energia rispetto ai tradizionali motori a combustione poiché non sono vincolati dal ciclo di Carnot¹. Utilizzando combustibili come l’idrogeno (H 2) ², il boroidruro di idrogeno (NaBH 4) 3 e l’ammoniaca (NH₃ ⁾ ₄, le FC sono diventate una promettente fonte di energia pulita dal punto di vista ambientale e in grado di raggiungere prestazioni elevate, offrendo un potenziale significativo per ridurre la dipendenza umana dai combustibili fossili. Tuttavia, la tecnologia FC deve affrontare sfide specifiche. Un problema prevalente è il ruolo interno di una membrana a scambio protonico (PEM) nel sistema FC, che funge da protezione contro i cortocircuiti interni. L’integrazione di una membrana elettrolitica contribuisce ad aumentare i costi di fabbricazione, la resistenza del circuito interno e la complessità architettonica⁵. Inoltre, la trasformazione di FC a compartimento singolo in array multi-stack introduce ulteriori complicazioni dovute all’intricato processo di integrazione di canali di flusso, elettrodi e piastre per migliorare le uscite di potenza e corrente⁵.

Negli ultimi decenni, sono stati compiuti sforzi concertati per affrontare queste sfide legate alla membrana e semplificare il sistema FC. In particolare, l’emergere di configurazioni FC senza membrana che utilizzano co-flussi laminari a bassi numeri di Reynold ha offerto una soluzione innovativa. In tali configurazioni, l’interfaccia tra due flussi funziona come una membrana “virtuale” a conduzione protonica⁶. Le FC basate sul flusso laminare (LFFC) sono state ampiamente studiate, sfruttando i vantaggi della microfluidica 7,8,9,10. Tuttavia, gli LFFC richiedono condizioni rigorose, tra cui un elevato apporto di energia per il pompaggio di combustibili laminari/ossidanti, la mitigazione del crossover dei reagenti nei flussi fluidici e l’ottimizzazione dei parametri idrodinamici.

Recentemente, l’H 2 O 2 ha guadagnato interesse come potenziale combustibile e ossidante grazie alla sua natura neutrale dal punto di vista delle emissioni di carbonio, producendo acqua (H 2 O) e ossigeno (O ₂) durante i processi di elettroossidazione ed elettroriduzione agli elettrodi^11,12. H2 O₂ può essere prodotto in serie utilizzando un processo di riduzione a due elettroni o mediante un processo di ossidazione a due elettroni dall’acqua¹². Successivamente, a differenza di altri combustibili gassosi, il combustibile liquido H 2 O₂può essere integrato nell’infrastruttura di benzina esistente ⁵. Inoltre, la reazione didisproporzione dell’H 2 O 2 consente di servire H 2 O ₂sia come combustibile che come ossidante. La Figura 1A mostra una struttura schematica dell’architettura di un semplice H 2 O₂FC. Rispetto ai tradizionali FC ^2,3,4, l’H 2 O ₂FC sfrutta i vantaggi della “semplicità” del dispositivo. Yamasaki et al. hanno dimostrato che H 2O₂ FC senza membrana, svolgono sia il ruolo di combustibile che di ossidante. Il meccanismo descritto della generazione di energia elettrica ha ispirato le comunità di ricerca a continuare questa direzione^{di ricerca 6}. Successivamente, i meccanismi di elettroossidazione ed elettroriduzione che utilizzano H 2O₂ come combustibile e ossidante sono stati rappresentati dalle seguenti reazioni^13,14

Nei mezzi acidi:

Anodo: H2 O 2 → O₂ + 2H⁺ + 2e^–; E_a1 = 0.68 V vs. LEI
Catodo: H 2 O 2 + 2H⁺ + 2e^– → 2H₂ O; E_a2 = 1,77 V rispetto a LEI
Totale: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

Nei media di base:

H 2 O 2 + OH- → HO 2^– + H ₂ O
Anodo: HO 2– + OH- → O 2 + H₂ O + 2e^–; E_b1 = 0,15 V vs. LEI
Catodo: HO 2- + H₂O + 2e- → 3OH^–; E_b2 = 0,87 V vs. LEI
Totale: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

La Figura 1B illustra il principio di funzionamento delle FC H 2 O 2. H 2 O₂ dona elettroni all’anodo e accetta elettroni al catodo. Il trasferimento di elettroni tra l’anodo e il catodo avviene attraverso un circuito esterno, con conseguente generazione di elettricità. Il potenziale teorico a circuito aperto (OCP)di H 2 O₂ FC è di 1,09 V in mezzi acidi e di 0,62 V in mezzi basici¹³. Tuttavia, numerosi risultati sperimentali hanno mostrato valori più bassi, raggiungendo fino a 0,75 V in mezzi acidi e 0,35 V in mezzi basici, rispetto all’OCP teorico. Questa osservazione può essere attribuita alla presenza di un potenziale misto¹³. Inoltre, la potenza e la corrente in uscita delle FC H 2 O 2 non possono competere con le FC ^2,3,4 menzionate a causa della limitata selettività catalitica degli elettrodi. Tuttavia, è interessante notare che l’attualetecnologia H 2 O 2 FC può superare le prestazioni di H₂, NaBH₄ e NH₃ FC in termini di costo complessivo, come mostrato nella Tabella 1. Pertanto, la maggiore selettività catalitica degli elettrodi perl’elettroossidazione e l’elettroriduzione di H 2 O₂ rimane una sfida significativa per questi dispositivi.

In questo studio, introduciamo un elettrodo a struttura porosa tridimensionale per migliorare l’interazione tra l’elettrodo e il combustibile H 2 O₂, con l’obiettivo di aumentare la velocità di reazione e migliorare la potenza e la corrente in uscita. Studiamo anche l’impatto del pH della soluzione e della concentrazione di H 2 O₂sulle prestazioni del FC. La coppia di elettrodi utilizzata in questo studio comprende un panno in fibra di carbonio elettroplaccato in oro e schiuma di nichel. La caratterizzazione strutturale viene condotta utilizzando la diffrazione a raggi X (XRD) e la microscopia elettronica a scansione (SEM), con il potenziale a circuito aperto (OCP), la polarizzazione e le curve di potenza in uscita che fungono da parametri primari per i test FC.