Портной

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13244 (2023) Цитировать эту статью

579 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Чтобы эффективно использовать глицерин в качестве топлива в топливных элементах с прямым глицерином, необходим катализатор, который может разорвать связь C–C и усилить электроокисление глицерина до CO2. В этом конкретном исследовании нанокомпозит палладий-никель-олово, электроосажденный на стеклоуглеродный электрод (PdNiSn/GC), продемонстрировал превосходную активность в отношении электроокисления глицерина благодаря синергетическому эффекту каталитической композиции. Поверхность PdNiSn/GC генерировала пиковый ток (Ip), который был в 2,5 раза выше, чем ток, полученный на электроде Pd/GC, с катодным сдвигом потенциала начала (Eonset) примерно 300 мВ. Кроме того, ток, полученный на поверхности PdNiSn/GC, оставался стабильным во время непрерывного электролиза. Измерения емкости были использованы для интерпретации результатов электрокаталитической активности, а высокоэффективная жидкостная хроматография показала, что продуктами реакции электроокисления глицерина являются щавелевая кислота и муравьиная кислота, которые впоследствии окисляются до CO2, как показали расчеты заряда. . Результаты показывают, что синергия между Pd, β-Ni(OH)2 и SnO2 имеет решающее значение для повышения GEOR за счет усиления разрыва связи C–C и полного окисления промежуточных продуктов реакции до CO2.

Постоянное расширение коммерческой деятельности и постепенное увеличение прироста населения напрямую увеличили спрос на энергию и вызвали необходимость поиска альтернативных источников энергии вместо ископаемого топлива. Помимо этого, эффективное использование химического топлива в топливных элементах имеет большой потенциал для создания эффективных энергетических систем с нулевым уровнем выбросов CO21.

Учитывая различные типы топливных элементов, топливные элементы с мембраной из полимерного электролита обладают многочисленными преимуществами по сравнению с другими типами топливных элементов, например: высокая плотность энергии, быстрое энерговыделение; нечувствительность к CO2, позволяющая использовать воздух в качестве окислителя и работающая при умеренных температурах (75–150 °С)2,3.

Использование спиртов, в частности глицерина, в спиртовом топливном элементе прямого действия является интересной целью для топлива в такой схеме. Реакция электроокисления глицерина (GEOR) может происходить на поверхности электрокатализаторов посредством окисления его гидроксильных групп с целью получения электрической энергии4. Кроме того, GEOR обеспечивает высокую теоретическую плотность энергии — 6 кВтч/кг, он негорюч и нелетуч5, а также имеет низкую скорость прохождения через мембрану по сравнению с метанолом6. Кроме того, селективный GEOR может производить промежуточные продукты с добавленной стоимостью. Таким образом, еще одним многообещающим аспектом GEOR является электросинтез молекул с добавленной стоимостью, таких как; глицериновая кислота, тартроновая кислота, мезоксалат и 1,3-дигидроксиацетон7,8,9.

Глицерин является распространенным продуктом биодизельной промышленности, которая ежегодно производит около сотен миллионов килограммов глицерина, что делает его доступным и дешевым топливом10,11,12,13. Кроме того, глицерин считается хорошим источником для производства водорода14,15. Термодинамика показывает, что реакция электроокисления глицерина (GEOR) в анодном отделении DGFC энергетически более эффективна, чем реакция выделения кислорода (OER) в электролизной ячейке для производства водорода9,10. GEOR происходит в анодном отделении DGFC, производя протоны и углекислый газ, тогда как протоны восстанавливаются в катодном отделении с образованием водорода, как показано в уравнениях. 1–311.

Однако эффективное и полное окисление глицерина в CO2 в топливных элементах с прямым глицерином (DGFC) по-прежнему остается серьезной проблемой, поскольку этот процесс является многоэлектронным и многопротонным процессом, требующим разрыва связи C–C (основная проблема электрокатализа).

Платиновый электрокатализатор считался наиболее эффективным катализатором для DGFC из-за его высокой активности16,17,18,19, однако образование отравляющего промежуточного CO на его поверхности во время схемы окисления глицерина наряду с его высокой стоимостью ограничивало его использование16,20,21. Это побудило использовать альтернативные электрокатализаторы, например, Pd, Ag и Ni, чтобы повысить производительность DGFC. В этом отношении электрокатализаторы на основе Pd считаются хорошим кандидатом на роль DGFC из-за их преимуществ перед электрокатализаторами на основе Pt16. Pd проявляет лучшую активность в окислении спиртов в щелочной среде, чем Pt22,23,24,25. Кроме того, вероятность отравления электрода адсорбированным окисью углерода (COads) в щелочной среде меньше, чем в кислой среде, поскольку хемосорбированные интермедиаты слабо связываются с поверхностью катализатора, а количество отравляющих веществ меньше в щелочной среде26.