CN106252669B - 一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池及其制备方法，该电池由内而外依次由基于铂的贵金属线阴极、阴极活性材料体、隔膜层、纳米多孔贵金属线阳极以及保护层组成；本发明同时公开一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池的制备方法。本发明中的电池结构较通用无保护的电极有保护的输出功率曲线及开路电压大，本发明的结构具有明显的保护阴极的作用；本发明材料本身的特点，具有体积小，具有韧性的优点；本发明的一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，稳定性好、单个成本价格较低，制备方法简单、易操作，适合产业化生产；本发明的电池结构也可替换为其他材料，用于葡萄糖燃料电池，甚至用于电化学传感，电池结构具有普遍适用性。

Description

一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池及其制备方法。
背景技术
植入式电子设备诸如人工耳蜗、青光眼治疗传感器、心脏除颤器、神经刺激器、药物释放装置、骨骼生长刺激器、全人工心脏等，在临床医疗甚至军事等方面具有重要的应用价值。然而，植入式电子设备在应用中常常面临的巨大挑战是缺少一种稳定而高效的电源技术。
其中，目前研究较多的供电技术有锂电池、燃料电池和无线供电等，尽管如此，这些电源技术仍然存在输出功率、使用寿命以及经济性等方面的问题。植入式燃料电池能够利用生物体内源性物质如葡萄糖等为燃料，氧气等为氧化剂直接进行发电，为植入式电子设备提供能源。按照燃料电池的催化剂种类可分为无机/有机催型，酶型和微生物型燃料电池。从应用性上，利用无机/有机催化剂的燃料电池，具有生物兼容性高、性能稳定、寿命较长的优势。但是，植入式电池面临的工作环境，氧化剂和燃料(如葡萄糖)同时存在，无机/有机催化剂的选择性较差，导致电池的输出功率较低。比如，阴极材料，如常用的Pt/C催化剂容易受到溶液中的葡萄糖等有机小分子的影响；阳极催化剂在催化氧化葡萄糖等燃料物质的同时也会受到氧气的干扰，从而降低电池的输出性能。目前的电极材料的研究大多为纳米颗粒形态的贵金属与碳材料、金属氧化物等的复合材料、纳米多孔贵金属材料，其中负载式的贵金属复合材料由于协同作用，具有较好的选择性以及高的催化活性，连续的纳米多孔结构具有潜在的抗氧能力，使得纳米多孔贵金属电极具有良好的抗氧能力以及良好的催化能力。但是，纳米材料在制备成电极时具有散、脆等缺点，这不利于葡萄糖燃料电池的植入时柔性、一体化的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池及其制备方法，旨在解决针对目前贵金属电极材料选择性不强，构建的植入式燃料电池性能较低，难以小型化等问题。
本发明是这样实现的，一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，该针状保护阴极型葡萄糖燃料电池由内而外依次由基于铂的贵金属线阴极、阴极活性材料体、隔膜层、纳米多孔贵金属线阳极以及保护层组成；所述阴极活性材料体包覆在基于铂的贵金属线阴极外部；所述隔膜层裹覆在阴极活性材料体外部；纳米多孔贵金属线阳极环绕在隔膜层外部；所述保护层包覆在纳米多孔贵金属线阳极外部；
进一步，所述隔膜层包括醋酸纤维素、质子交换膜、聚氨酯膜、聚氯乙烯膜其中的任意种。
进一步，所述保护层为生物兼容的保护层，所述保护层包括：醋酸纤维素、硅胶、尼龙其中的任意种。
本发明的另一目的在于提供一种所述针状保护阴极型葡萄糖燃料电池的制备方法，该针状保护阴极型葡萄糖燃料电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一、阴极活性材料体与乙醇混合溶液浓度为1mg-10mg/ml,加入的粘结剂量为体积的1‰-1％，得到混合溶液；
步骤二、将基于铂的贵金属线阴极置于步骤一所得的混合溶液中，在1V～3V一定电压下电镀，使得阴极活性材料体固定在基于铂的贵金属线阴极表面，50℃～120℃下干燥。
步骤三、将步骤二得到的阴极电极表面均匀涂覆1-10μm的隔膜溶液，然后在50℃～120℃下固化成膜，形成隔膜层，得到燃料电池主体；
步骤四、将纳米多孔贵金属线阳极缠绕或编织于步骤三得到的燃料电池主体，得到电池主体；
步骤五、将步骤四得到的电池主体外层通过纺丝包裹生物兼容的保护层得到针状保护阴极型葡萄糖燃料电池。
本发明的另一目的在于提供一种所述的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池在植入血液中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种所述的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池在电化学传感上的应用。
本发明针对植入式燃料电池采用无机催化剂，存在的电极选择性差的难点，从电极材料的微观结构设计入手，利用表面多孔的柔性贵金属丝为电极，发明了一种针状的阴极保护性燃料电池，显著降低了电极反应的互相干扰，提高了电池的输出性能，同时其微型柔性的结构属性，也大大增强了其植入应用的可适性；本发明尺寸大小：微米级粗细；输出功率密度：比现有技术提高一倍以上；应用性能：在血液中能够稳定输出功率数月；所述基于铂的贵金属线阴极长度为0.5cm-1cm，直径为0.1mm-0.5mm；所述隔膜层厚度为1μm-10μm；所述纳米多孔贵金属线阳极长度2cm-10cm，直径为0.05mm-0.5mm；阴极活性材料体；所述保护层。(所构成的小型电池体积范围为1×10-4cm3～1×10-2cm3)
本发明的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，阴极材料抗葡萄糖催化性能大大增强，在四电极体系下，当阳极在一定电位下工作时，阴极体系的氧还原循环伏安曲线。在有外层保护的情况下，阴极体系的氧还原电流增大，性能增强。在加入葡萄糖溶液与未加入的条件下，催化性能稳定；本发明的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，在5mM葡萄糖的缓冲溶液中测试其电池性能，输出电压为0.32V，输出功率密度为4μW·cm-2，现有通用的电池结构，无保护层，具体为阴极|隔膜|阳极结构的电池性能曲线，输出电压为0.27V，输出功率密度为2μW·cm-2；本发明的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，由于材料本身的特点，具有体积小，具有韧性的优点；本发明的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，稳定性好、单个成本价格较低，制备方法简单、易操作，适合产业化生产；本发明的电池结构也可替换为其他材料，用于葡萄糖燃料电池，甚至用于电化学传感，电池结构具有普遍适用性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池结构示意图；
1、基于铂的贵金属线阴极；2、阴极活性材料体；3、隔膜层；4、贵金属纳米线阳极；5、保护层。
图2是本发明实施例提供的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池制备方法流程图。
图3是本发明实施例提供的在有外层保护的情况下，阴极体系的氧还原电流增大，性能增强示意图。
图4是本发明实施例提供的在加入葡萄糖溶液与未加入的条件下，催化性能稳定示意图。
图5是本发明实施例提供的在5mM葡萄糖的缓冲溶液中测试其电池性能，输出功率曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示：本发明实施例的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池由内而外依次由基于铂的贵金属线阴极1、阴极活性材料体2、隔膜层3、纳米多孔贵金属线阳极4以及保护层5组成；所述阴极活性材料体包覆在基于铂的贵金属线阴极外部；所述隔膜层裹覆在阴极活性材料体外部；纳米多孔贵金属线阳极环绕在隔膜层外部；所述保护层包覆在纳米多孔贵金属线阳极外部。
所述基于铂的贵金属线阴极1长度为0.5cm-1cm，直径为0.1mm-0.5mm；所述隔膜层3厚度为2μm-10μm；所述纳米多孔贵金属线阳极4长度2cm-10cm，直径为0.05mm-0.5mm；阴极活性材料体；所述保护层。
所述隔膜层3包括醋酸纤维素、质子交换膜、聚氨酯膜、聚氯乙烯膜。
所述保护层5为生物兼容的保护层，所述保护层包括：醋酸纤维素、硅胶、尼龙。
如图2所示：本发明实施例的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池的制备方法包括以下步骤：
S101、将阴极活性材料体与乙醇混合均匀，加入粘结剂，得到混合溶液；
S102、将基于铂的贵金属线阴极置于S101所得的混合溶液中，在一定电压下电镀，使得阴极活性材料体固定在基于铂的贵金属线阴极表面，一定温度下干燥；
S103、将S102得到的阴极电极表面均匀涂覆一定厚度的隔膜层，然后在一定温度下固化成膜，得到燃料电池主体；
S104、将纳米多孔贵金属线阳极缠绕或编织于S103得到的燃料电池主体，得到电池主体；
S105、将S104得到的电池主体外层通过纺丝包裹生物兼容的保护层得到针状保护阴极型葡萄糖燃料电池。
本发明实施例的具体步骤如下：
步骤一、阴极活性材料体与乙醇混合溶液浓度为1mg-10mg/ml，加入的粘结剂量为体积的1‰-1％，得到混合溶液；
步骤二、将基于铂的贵金属线阴极置于步骤一所得的混合溶液中，在1V～3V一定电压下电镀，使得阴极活性材料体固定在基于铂的贵金属线阴极表面，50℃～120℃下干燥。
步骤三、将步骤二得到的阴极电极表面均匀涂覆1-10μm的隔膜溶液，然后在50℃～120℃下固化成膜，形成隔膜层，得到燃料电池主体；
步骤四、将纳米多孔贵金属线阳极缠绕或编织于步骤三得到的燃料电池主体，得到电池主体；
步骤五、将步骤四得到的电池主体外层通过纺丝包裹生物兼容的保护层得到针状保护阴极型葡萄糖燃料电池。
本发明的实施例针状保护阴极型葡萄糖燃料电池在植入血液中的应用和在电化学传感上的应用。
本发明针对植入式燃料电池采用无机催化剂，存在的电极选择性差的难点，从电极材料的微观结构设计入手，利用表面多孔的柔性贵金属丝为电极，发明了一种针状的阴极保护性燃料电池，显著降低了电极反应的互相干扰，提高了电池的输出性能，同时其微型柔性的结构属性，也大大增强了其植入应用的可适性；
本发明尺寸大小：微米级粗细；输出功率密度：比现有技术提高一倍以上；应用性能：在血液中能够稳定输出功率数月；
本发明的一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，阴极材料抗葡萄糖催化性能大大增强，在四电极体系下，当阳极在一定电位下工作时，阴极体系的氧还原循环伏安曲线。在有外层保护的情况下，阴极体系的氧还原电流增大，性能增强。在加入葡萄糖溶液与未加入的条件下，催化性能稳定；
本发明的一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，在5mM葡萄糖的缓冲溶液中测试其电池性能，输出电压为0.32V，输出功率密度为4μW·cm-2，现有通用的电池结构，无保护层，具体为阴极|隔膜|阳极结构的电池性能曲线，输出电压为0.27V，输出功率密度为2μW·cm-2；
可以看出本发明中的电池结构较通用无保护的电极有保护的输出功率曲线及开路电压大，本发明的结构具有明显的保护阴极的作用。
本发明的一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，由于材料本身的特点，具有体积小，具有韧性的优点；
本发明的一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，稳定性好、单个成本价格较低，制备方法简单、易操作，适合产业化生产；
本发明的电池结构也可替换为其他材料，用于葡萄糖燃料电池，甚至用于电化学传感，电池结构具有普遍适用性。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明的一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，阴极材料抗葡萄糖催化性能大大增强，具体见附图3、4。在四电极体系下，当阳极4在一定电位下工作时，阴极体系的氧还原循环伏安曲线。附图3可以看出，在有外层保护的情况下，阴极体系的氧还原电流增大，性能增强。附图4可以看出，在加入葡萄糖溶液与未加入的条件下，催化性能稳定。
本发明的一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，在5mM葡萄糖的缓冲溶液中测试其电池性能，输出功率曲线具体见附图5，其中，实线为本发明中的电池性能，输出电压为0.32V，输出功率密度为4μW·cm-2，虚线为通用的电池结构，无保护层，具体为阴极|隔膜|阳极结构的电池性能曲线，输出电压为0.27V，输出功率密度为2μW·cm-2。可以看出本发明中的电池结构较通用无保护的电极有保护的输出功率曲线及开路电压大，说明本发明的结构具有明显的保护阴极的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，其特征在于，该针状保护阴极型葡萄糖燃料电池由内而外依次由基于铂的贵金属线阴极、阴极活性材料体、隔膜层、纳米多孔贵金属线阳极以及保护层组成；所述阴极活性材料体包覆在基于铂的贵金属线阴极外部；所述隔膜层裹覆在阴极活性材料体外部；纳米多孔贵金属线阳极环绕在隔膜层外部；所述保护层包覆在纳米多孔贵金属线阳极外部。
2.如权利要求1所述的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，其特征在于，所述隔膜层包括醋酸纤维素、质子交换膜、聚氨酯膜、聚氯乙烯膜其中的任意一种。
3.如权利要求1所述的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池，其特征在于，所述保护层为生物兼容的保护层，所述保护层包括：醋酸纤维素、硅胶、尼龙其中的任意一种。
4.一种如权利要求1所述针状保护阴极型葡萄糖燃料电池的制备方法，其特征在于，该针状保护阴极型葡萄糖燃料电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一、阴极活性材料体与乙醇混合溶液浓度为(1mg-10mg)/ml，加入体积为混合后的溶液1‰-1％的粘接剂，得到混合溶液；
步骤二、将基于铂的贵金属线阴极置于步骤一所得的混合溶液中，在1V～3V下电镀，使得阴极活性材料体固定在基于铂的贵金属线阴极表面，50℃～120℃下干燥；
步骤三、将步骤二得到的阴极电极表面均匀涂覆1-10μm的隔膜溶液，然后在50℃～120℃下固化成膜，形成隔膜层，得到燃料电池主体；
步骤四、将纳米多孔贵金属线阳极缠绕或编织于步骤三得到的燃料电池主体，得到电池主体；
步骤五、将步骤四得到的电池主体外层通过纺丝包裹生物兼容的保护层得到针状保护阴极型葡萄糖燃料电池。
5.一种如权利要求1所述的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池在植入血液中的应用。
6.一种如权利要求1所述的针状保护阴极型葡萄糖燃料电池在电化学传感上的应用。
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