CN110148758A

CN110148758A - 一种以糖类为原料的燃料电池电催化多孔金电极和制备方法及其在人工智能传感器中的应用

Info

Publication number: CN110148758A
Application number: CN201811626476.0A
Authority: CN
Inventors: 奚亚男; 胡淑锦; 崔皓博
Original assignee: Guangzhou Yuxin Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Yuxin Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2019-08-20

Abstract

本发明公开了一种以糖类物质为原料的燃料电池电催化多孔金电极和制备方法，该制备方法包括以下步骤：1)以泡沫金属为基材，电沉积金锡合金；2)去除金属锡。本发明制备的多孔金电极单位面积的活性位点密度高，活性面积大，有利于电子的传输，催化糖类氧化效果更高，从而提供长寿命运行的燃料电池系统。

Description

一种以糖类为原料的燃料电池电催化多孔金电极和制备方法及其在人工智能传感器中的应用

技术领域

本发明涉及一种以糖类物质为原料的燃料电池的电催化多孔金(NPG)电极的制备方法，尤其是用于以糖类和氧气作为燃料的燃料电池中。

背景技术

随着智慧医疗技术的发展，植入式医疗装置得到了广泛应用，为了保证植入式医疗装置的供电，如可以驱动微型血糖浓度检测仪的微型电池，给心脏病患者的心脏起搏器供电的微型电池等，以及为实现人工智能和智慧医疗中自动检测和自动控制的传感器，同样需要微型电池。传感器(英文名称：transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。目前的传感器、植入式医疗装置大多使用能量密度较高的锂离子电池，但是它的能量密度无法满足传感器的长时间运行。原材料锂离子很难获取并补充，必须定期充电。因此，在人工智能和智慧医疗的发展过程中，迫切需要一种配套的便携性能源供给电池，可以配合便携式传感器、植入式医疗装置等日常使用，微型燃料电池是一种更优越的选择。

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的设备，现在正成为重要的用于能源供应的便携式能源设备。不同于普通电池，燃料电池需要持续性的物质输入，阳极输入燃料物质作为还原剂，阴极输入氧化剂。燃料电池经常采用空气中的氧气作为氧化剂，所以许多研究者一直致力于增强电化学氧还原的性能来提高燃料电池的能量密度。

常规的燃料电池一般选择氢气、醇类作为阳极端燃料，但是这些材料难以合成，原料成本也太高，因此不适合大批量加工。现在燃料物质研究对象主要集中在甲醇、乙醇、肼和糖类等。糖类燃料又分为多糖燃料和单糖燃料，以典型的葡萄糖为例，和甲醇、乙醇相比，葡萄糖用作直接氧化燃料电池具有无毒，不易燃，无味以及可再生等特点。葡萄糖可以在工农业的生产中大量获得，例如造纸和食品生产的废水中就含有高浓度的葡萄糖，葡萄糖如果发生彻底的氧化反应转化为二氧化碳，能够产生2.87×10⁶J/mol的能量，这些特点使得葡萄糖在燃料电池的领域具有可观的前景。而且随着智能设备的移动化越来越高，研究者们正在利用生物组织的体液作为葡萄糖燃料电池的原料来源，制备植入式生物燃料电池，如蜜蜂、昆虫，哺乳类动物等。这就需要对葡萄糖浓度有一个可预控的条件，就像汽车的油表一样可以对其含量有一个及时的反馈，而电化学传感器就是在这种背景下应运而生的。电化学传感器是一种将化学信号转化为电信号输出的设备，其原理也是基于电极材料的电催化原理，葡萄糖电化学传感器和葡萄糖燃料电池就是需要在阳极端进行葡萄糖电氧化反应。早在20世纪70年代，科学家就提出能以这种电池为心脏起搏器提供动力。但这一提议最终因为葡萄糖燃料电池所使用的酶不能长久发挥作用，以及锂离子电池能在单位面积内提供更强劲的能量而搁浅。基于上述问题，新型葡萄糖燃料电池作出了相关改进，科研人员采用了与制造半导体电子芯片相同的技术，以硅为原料组装而成，此外，这种燃料电池可借助铂催化剂从葡萄糖处剥离电子，分解葡萄糖。葡萄糖燃料电池的原理如下图1所示，正极：氧气变成水，负极：葡萄糖变成葡萄糖酸。阳极(Anode)是电化学反应的一个术语，阳极总是与阴极(Cathode)相对应而存在的。发生氧化作用的极称为阳极，在原电池中，阳极是负极，电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。

目前葡萄糖燃料电池实现很好的实际应用就是阳极的葡萄糖氧化，研究者们尝试在阳极负载葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶来制备酶催化葡萄糖燃料电池，虽然负载酶后电极的选择性高了很多，但是由于酶的脆弱性使得电极不稳定。贵金属催化剂像Pt、Pd或者合金在葡萄糖电氧化和双氧水都有着不错的电催化特性，但是由于这些贵金属的产量低价格贵，阻碍了其大规模应用。因此，本领域需要一种制备工艺简单的以糖类物质为原料的燃料电池的负极电催化电极，以降低成本，提高催化效率，并可用于糖类和氧气作为燃料的燃料电池中，尤其是葡萄糖和氧气作为燃料的燃料电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种以糖类物质为原料的燃料电池的负极电催化多孔金电极。

以糖类物质为原料的燃料电池，其阴极优选用氧气作为燃料，阳极优选葡萄糖作为燃料。所述负极电催化多孔金电极由泡沫金属作为骨架，泡沫金属骨架的平均孔径为100μm-300μm，泡沫金属骨架上由泡沫金属和金相互连接成韧带和孔隙组成的结构，韧带平均尺寸为50nm- 100nm，孔隙平均尺寸为30nm-90nm。泡沫金属骨架上的孔隙率为40％-80％。

本发明的另一目的在于提供一种以糖类物质为原料的燃料电池电催化多孔金电极的制备方法。

本发明的燃料电池负极电催化多孔金电极制备方法所采取的技术方案包括以下步骤：

1)以泡沫金属为基材，电沉积金锡合金；

2)去除金属锡，得到修饰多孔金的电极。

本发明中的电沉积可以通过使用贵金属作为对电极来完成，包括铂片、镀铂钛、镀铂铌或氧化铱电极。

为了得到本发明中特定结构的多孔金电极，需要对电沉积的电镀液进行大量的实验筛选，这是因为用于金锡合金沉积的电镀液不能在整个可用电流密度范围内沉积合金，因此需要精密的设计电镀液的组成，从而控制金锡合金在泡沫金属骨架上的沉积形态，进而得到最终泡沫金属骨架上特定的泡沫金属-金韧带结构。例如，使用诸如葡萄糖酸、乙二胺四醋酸等配位剂的现有技术中的电镀液，通常会得到在不同电流密度下具有富锡或富金区域的合金，导致沉积的不均匀。

本发明步骤1)中，金锡合金优选共晶合金，或者合金越接近共晶越好。金离子的来源可以是一价或三价钾金或铵金氰化物，但考虑到公益环保问题，一般来说要用无氰工艺，即：使用非氰化物提供金离子，如氯化金、亚硫酸金和硫代硫酸金等，金离子的含量在大约0.1g/L 到100g/L之间，本发明中优选使用亚硫酸金提供金离子，浓度为10g/L～50g/L，优选 20g/L～40g/L。

金锡合金中锡离子可以以任何提供二价或四价离子的可溶形式加入。溶液中全部锡离子的浓度通常在大约1g/L至50g/L之间，任何二价或四价锡盐，包括硫酸盐、氯化物、甲基磺酸盐、草酸盐，以及其它能够用于提供这些二价或四价锡离子的锡盐都是可以选用的。本发明中优选使用甲基磺酸锡，浓度为10g/L～50g/L，优选20g/L～40g/L。

电解液中存在用于锡离子的配位剂以促使并保持二价和/或四价锡离子在所处的pH值下是可溶的。任何适合的有机酸都可用于这一目的。适用于本发明的配位剂的例子包括但是不限于草酸、柠檬酸、抗坏血酸、葡萄糖酸、丙二酸、酒石酸和亚氨基二乙酸。也可以使用这些酸的可溶盐溶液。最优选的配位剂是草酸、柠檬酸、葡萄糖酸、七氯葡糖酸和丙二酸以及它们的可溶性盐，如可溶性的草酸盐、柠檬酸盐、甘油酸盐、抗坏血酸盐、葡萄糖酸盐、七葡糖酸盐、丙二酸盐、亚氨基二乙酸盐、次氮基三乙酸盐、亚乙基二氨基四醋酸盐或焦磷酸盐等。

配位剂的浓度以可以保持锡离子在特定pH值电解液中可溶为最低标准，需要保持高于最低浓度的配位剂以提高溶液导电率。溶液中存在的用于锡离子的配位剂通常由大约5g/L到饱和。锡离子配位剂的浓度典型地在10g/L至300g/L之间并且最优选在40g/L至150g/L之间。本发明中优选使用柠檬酸，浓度为40g/L～90g/L，优选50g/L～80g/L，焦磷酸钾浓度为50g/L～90g/L，优选60g/L～80g/L。

还可选择性地向电解液中加入其它盐或者缓冲剂以提高导电率或pH稳定性。例如，包括诸如甲磺酸钾、硫酸钾等的简单盐作为添加剂以及本领域公知的其它盐。本发明中优选加入硫酸钾，浓度为10g/L～30g/L，优选15g/L～25g/L。

本发明步骤1)中的泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料，由于泡沫金属是由金属基体骨架连续相和气孔分散相或连续相组成的两相复合材料，因此其性质取决于所用金属基体、气孔率和气孔结构，并受制备工艺的影响。泡沫金属的制备有粉末冶金法和电镀法，前者通过向熔体金属添加发泡剂制得泡沫金属；后者通过电沉积工艺在聚氨酯泡沫塑料骨架上沉积泡沫金属。本发明所述的泡沫金属可由常规制备工艺制得。

泡沫金属有铝、镍及其合金，以及泡沫铜等。泡沫镍由于有连通的气孔结构和高的气孔率，因此具有高通气性、高比表面积和毛细力，多作为功能材料，用于制作流体过滤器、雾化器、催化器、电池电极板和热交换器等。泡沫铜的导电性和延展性好，且制备成本比泡沫镍低，导电性能更好，可将其用于制备电池负极(载体)材料、催化剂载体和电磁屏蔽材料。特别是泡沫铜用于电池作电极的基体材料，具有一些明显的优点，但由于铜的耐腐蚀性能不如镍好，从而也就限制了它的一些应用。本发明所述的泡沫金属优选泡沫镍，镍骨架的平均孔径为100μm-300μm。

本发明步骤1)中，所述的电沉积温度在20℃至70℃之间，优选为为40℃～60℃，电流密度为0.2A/dm²～0.8A/dm²，时间为15min～40min。温度直接影响沉积合金的组成。

本发明步骤2)中，所述的去除金属锡是使用电化学腐蚀或者化学腐蚀去除金锡合金中的锡。

其中，化学腐蚀所用的腐蚀液为碱液。

所述的碱为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属碳酸氢盐、碱金属醇盐中的至少一种。

所述的化学腐蚀时间为20min～40min。

本发明的另一目的是制备一种以糖类为燃料的微型燃料电池，包含所述的负极电催化多孔金电极。选择糖类物质作为微型燃料电池负极(阳极)燃料，是因为糖类物质易得且成本低。尤其优选葡萄糖，葡萄糖是自然界中分布最广的单糖，纤维素、淀粉经水解均可产生葡萄糖，葡萄糖分子中含有4个醛基和2个醇羟基，这些基团均能被氧化剂氧化。

在上述微型燃料电池的负极(阳极)发生如下反应：将常见的葡萄糖、果糖等糖类物质氧化为葡萄糖酸，提取电子；

正极(阴极)：使用氧气作为能源供给，电极采用铂电极，氧气发生还原反应，释放电子，生成水。

含有本发明多孔金电极的以葡萄糖为原料的燃料电池可用于人工智能便携性传感器，包括植入式医疗设备等智慧医疗产业，如可以驱动微型血糖浓度检测仪的植入式葡萄糖燃料电池，这种电池的工作原理是：将血糖浓度检测仪植入到血管管壁上，仪器提取血液中的血糖分析时，其自带的葡萄糖燃料电池也从血液中提取部分葡萄糖发电，供检测仪工作，向外界传递血糖浓度的信息，实现长期监测血糖的功能。植入式葡萄糖燃料电池还可以给心脏病患者的心脏起搏器供电，具有广阔的应用前景。另外在例如脑脊髓液(CSF)中就只有屈指可数的细胞，因此位于其中的植入物很难能激起免疫反应，而计算数据显示，葡萄糖燃料电池能够从脑脊髓液中获得可观的葡萄糖，从而为植入物提供动力，另外，由于这只占据了葡萄糖燃料电池有效功率的一小部分，所以其也不会对大脑功能造成不良影响。

除此之外，还有体外使用的便携式传感器，例如特定的微型传感器，结构密集不易更换电池或电池成本太高，可采用糖类燃料电池，便携且环保。本发明的有益效果是：

(1)电池燃料易得；

(2)目前市面上主要使用的氢燃料电池、醇类燃料电池、磷酸型碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池，以上四类电池都需要铂电极作为催化，本发明采用多孔金电极替代铂作为负极电极，单位面积的活性位点密度高，活性面积大，有利于电子的传输，催化糖类氧化效果更高，从而提供长寿命运行的燃料电池系统。

附图说明

图1是葡萄糖燃料电池的原理示意图；

图2是0.5A/dm²电流密度下恒温45℃的AuSn alloy/Ni Foam复合电极的扫描电镜图；

图3是0.5A/dm²电流密度下恒温45℃的AuSn alloy/Ni Foam复合电极去合金4天后的扫描电镜图；

图4是0.5A/dm²电流密度和45℃下AuSn alloy/Ni foam电极及去合金后NPG/Nifoam电极的扫描电镜图；

图5是NPG/Ni foam电极能谱及其面扫图；

图6是NPG/Ni foam在0mM和10mM葡萄糖+1M KOH溶液中的循环伏安图；

图7(a)是NGP/Pt-Pb电极在0mM和10mM葡萄糖+0.1M KOH溶液中的循环伏安图；

图7(b)是Pt-Pb电极在0mM和10mM葡萄糖+0.1M KOH溶液中的循环伏安图；

图8是NPG/Ni foam电极结构示意图；

图9是NPG/Ni foam金镍界面层结构模拟图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

一种以葡萄糖糖类物质为原料的燃料电池的负极电催化多孔金电极的制备方法，包括以下步骤：

1)以泡沫镍为基材，电沉积金锡合金；

2)去除金属锡，得到修饰多孔金的电极。进一步，步骤1)是以泡沫镍为工作电极，在金锡合金溶液中进行电沉积，得到修饰多孔金的电极。

优选的，步骤1)中，电沉积所用金锡合金溶液的组成为：亚硫酸金10g/L～50g/L、甲基磺酸锡10g/L～50g/L、柠檬酸40g/L～90g/L、焦磷酸钾50g/L～90g/L、硫酸钾10g/L～30g/L；进一步优选的，步骤1)中，所述的金锡合金溶液的组成为：亚硫酸金20g/L～40g/L、甲基磺酸锡20g/L～40g/L、柠檬酸50g/L～80g/L、焦磷酸钾60g/L～80g/L、硫酸钾15g/L～25g/L。

优选的，步骤1)中，所述的电沉积温度为40℃～60℃，电流密度为0.2A/dm²～0.8A/dm²，时间为15min～40min；进一步优选的，步骤1)中，所述的电沉积温度为45℃～55℃，电流密度为0.3 A/dm²～0.7A/dm²，时间为20min～30min。

步骤2)中，所述的去合金是使用电化学腐蚀或者化学腐蚀去除金锡合金中的锡。

优选的，所述的去合金是使用化学腐蚀去除金锡合金中的锡。

优选的，化学腐蚀所用的腐蚀液为碱液。

优选的，所述的碱液浓度为10M～20M。

优选的，所述的碱为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属碳酸氢盐、碱金属醇盐中的至少一种；进一步优选的，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的其中一种；再进一步优选的，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的其中一种；最优选的，所述的碱为氢氧化钾。

优选的，所述的化学腐蚀时间为20min～40min。

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。

实施例1：

多孔金制备：以泡沫镍为工作电极，铂片为对电极，金锡合金溶液为电镀液恒温45℃，在0.5A/dm²电流密度下电沉积20min。金锡镀液组成为，亚硫酸金20g/L，甲基磺酸锡30g/L，柠檬酸50g/L，焦磷酸钾70g/L，硫酸钾20g/L。

电镀后，用去离子水清洗，然后在空气中干燥，接着把电极在蚀刻液20M氢氧化钾溶液中浸泡，取出在去离子水中浸泡30min，自然风干或者烘箱中60℃加热烘干即获得泡沫镍修饰多孔金。

实施例2：

多孔金制备：以泡沫镍为工作电极，铂片为对电极，金锡合金溶液为电镀液恒温45℃，在0.7A/dm²电流密度下电沉积20min。金锡镀液组成为，亚硫酸金30g/L，甲基磺酸锡20g/L，柠檬酸80g/L，焦磷酸钾70g/L，硫酸钾20g/L。

电镀后，用去离子水清洗，然后在空气中干燥，接着把电极在蚀刻液10M氢氧化钾溶液中浸泡，取出在去离子水中浸泡30min，自然风干或者烘箱中80℃加热烘干即获得泡沫镍修饰多孔金。

实施例3：

多孔金制备：以泡沫镍为工作电极，铂片为对电极，金锡合金溶液为电镀液恒温55℃，在0.6A/dm²电流密度下电沉积20min。金锡镀液组成为，亚硫酸金40g/L，甲基磺酸锡40g/L，柠檬酸60g/L，焦磷酸钾70g/L，硫酸钾20g/L。

电镀后，用去离子水清洗，然后在空气中干燥，接着把电极在蚀刻液10M氢氧化钾溶液中浸泡，取出在去离子水中浸泡60min，自然风干或者烘箱中60℃加热烘干即获得泡沫镍修饰多孔金。

表征分析：

附图2是实施例1中在0.5A/dm²电流密度下恒温45℃的AuSn alloy/Ni Foam复合电极的 5000倍(a)和50000倍(b)扫描电镜图。从电镜图可以看到，在0.5A/dm²电流密度下粗化为凸起的块状金锡合金。整体而言，沉积的金锡合金连续性和均匀性最好。

附图3是实施例1中在0.5A/dm²电流密度下恒温45℃的AuSn alloy/Ni Foam复合电极去除金属锡4天后的5000倍(a)和50000倍(b)扫描电镜图。从图3可见，去锡后孔径明显增大，锡含量越高越有利于孔洞的形成，且多孔金整体结构较为均匀。

附图4是实施例2中在0.7A/dm²电流密度和45℃下AuSn alloy/Ni foam电极及去锡后NPG/Ni foam电极的扫描电镜图；(a1)～(a3)分别为AuSn alloy/Ni foam电极500、10000、50000 倍扫描电镜图；(b1)～(b3)分别为去锡后NPG/Ni foam电极相应倍率的电镜图。从附图4中对比分析，可以看到在50μm标尺视角下的SEM图像(图4(a1)和(b1))，整个电极均呈现出3D 多孔、骨架交联的形态，这样的结构大大增加了电极的比表面积。Ni骨架的平均孔径为100- 300μm。对比2μm标尺视角下的SEM图像(图4(a2)和(b2))，经过AuSn合金的电化学沉积之后，AuSn合金的纳米粒子已经完全覆盖在Ni骨架上。最后对比500nm标尺视角下的SEM 图像(图4(a3)和(b3))，可以进一步证实了化学反应的顺利进行，在经过了去合金作用之后，表面形貌也发生了比较明显的变化，可以看到覆盖在表面的纳米粒子的形貌变得更加的多孔。从图中可以看到经过AuSn合金的电化学沉积之后，沉积的大量的纳米粒子使得表面开始变得凹凸不平，比表面积得到了很大的提高。最后AuSn合金化学去合金，在Sn金属被除去后得到海绵状的纳米双连续的，由相互连接的韧带和纳米孔组成的结构。从图4(b3)中可以看到，韧带尺寸约为50-100nm和孔径为30-90nm。

附图5是实施例2得到的NPG/Ni foam电极能谱及其面扫描图；(a)为60μm的泡沫镍骨架；(b)为能谱图；(c)为金元素面扫描图；(d)为镍元素面扫描图。EDS能谱分析60μm 尺寸的泡沫镍骨架(附图5(a))，从附图5(b)中可以看到金锡骨架上含有镍、金元素。从表面扫描图可以看到，纳米多孔金骨架上面金元素(图5(c))和镍元素(图5(d))均匀分布，图 5(c)左上角扫描点密度少是因为距离太远信号不够强。

效果分析：

1、负极反应：葡萄糖电化学氧化性能分析

附图6为采用实施例2得到的NPG/Nifoam电极的葡萄糖电氧化性能循环伏安图，空白溶液为1M的氢氧化钾溶液，参比电极为银/氯化银电极，扫描速度为50mV/s。从图中可见，在不含葡萄糖的时候可以看到电极的阳极背景电流并不明显，在添加10mM的葡萄糖(上方曲线)后出现了三个氧化峰，意味着NPG/Ni foam对葡萄糖有着电氧化作用，E＝-0.500V的a处为多孔金表面吸附了OH-形成了金的化合物的过程，峰电流密度为2.10mA/cm²；E＝0.270V的b处为葡萄糖在多孔金电极表面的电氧化过程，峰电流密度为15.20mA/cm2；E＝0.500V的c处为金的氧化过程；在还原电流中可以看到有两个峰，E＝0.240V的d处为金氧化物的还原产生的，E＝0.0740V 的e处为葡萄糖一次氧化产物葡萄糖酸钾氧化过程。NPG/Nifoam阳极电催化氧化过程如下：

Au+OH^-→AuOH+e

附图7(a)为采用实施例2得到的NPG/Ni foam电极，在该电极表面再用水热法修饰一层Pt- Pb，获得双修饰电极，将双修饰电极用于10mM葡萄糖+0.1MKOH溶液中的循环伏安图，空白溶液为0.1M的氢氧化钾溶液，参比电极为Ag/AgCl电极，扫描速度为50mV/s。附图7(b)为采用常规的Pt-Pb电极，将该Pt-Pb电极用于10mM葡萄糖+0.1M KOH溶液中的循环伏安图，空白溶液为0.1M的氢氧化钾溶液，参比电极为Ag/AgCl电极，扫描速度为50mV/s。

从附图7中可以看出，图7(a)中在多孔金电极(NPG)上修饰金属元素(Pt-Pb)后(图7(a)上方曲线)检测葡萄糖氧化能力相对于没有负载本发明制备的多孔金的普通Pt-Pb电极(图7(b)上方曲线)的检测结果明显增强，峰电流密度远高于没有负载本发明制备的多孔金的普通Pt-Pb 电极。

本发明以葡萄糖和氧气为基本物质的能量供给燃料电池原料，其中，葡萄糖被氧化释放电子，氧气被还原获得电子。基于这一原理，使用多孔金作为反应催化剂，正极进行氧气被还原获得电子的反应，负极进行葡萄糖被氧化释放电子的反应。

本发明所采用的NPG/Ni foam复合电极催化葡萄糖氧化效果和其它材料相比更优越，根本原因有两个，如附图8NPG/Ni foam电极结构示意图所示。一是纳米多孔金负载于泡沫镍上面比表面积得到极大地提高，活性位点暴露更多，单位面积的活性位点密度提高了，使得金晶体表面的悬挂键增多，也说明了平面金电极转移到泡沫镍上面之后催化葡萄糖氧化效果大大增强，因为泡沫镍本身具有内部连通的微米级孔，比表面积很大，金在泡沫镍骨架上又被分散开，增大活性面积，，而纳米多孔的双连通纳米孔有利于离子的传输，而且纳米多孔金良好的导电性有利于电子的传输，纳米多孔不仅有着宏观上的缺陷，而且微观上晶面结构的缺陷也是其性能特殊的原因，而且金的稳定性在强酸性的溶液中还保护了泡沫镍骨架，形成一个结构稳定的三维立体结构。

第二个原因就是金和镍金属的协同效应。附图9是NPG/Nifoam金镍界面层结构模拟图。镀层复合层面可能存在金镍合金相，镍和金电子云相互影响使得性能实现1+1＞2，即协同效应，在酸中金、镍主要以单质形式存在，而随着pH的增大至强碱性时金属表面由于钝化形成部分氧化物使得协同效应被削弱，所以塔菲尔斜率成倍数增大，而单金属电极材料的起始过电位到强碱环境时却反常正移，是因为镍或金形成的氧化物有利其催化葡萄糖的氧化效果。

Claims

1.一种微型燃料电池的多孔金电极，其特征在于，所述电极由泡沫金属作为骨架，泡沫金属骨架的平均孔径为100μm-300μm，泡沫金属骨架上由泡沫金属和金相互连接成韧带和孔隙组成的结构，韧带平均尺寸为50nm-100nm，孔隙平均尺寸为30nm-90nm。

2.根据权利要求1所述的多孔金电极，其特征在于，所述泡沫金属为泡沫镍。

3.根据权利要求1-2所述的多孔金电极，其特征在于，泡沫金属骨架上韧带和孔隙之间的孔隙率为40％-80％。

4.根据权利要求1-2所述的多孔金电极，其特征在于，所述多孔金电极用于以糖类和氧气作为燃料的微型燃料电池，所述糖类优选葡萄糖。

5.一种微型燃料电池，包含权利要求1-4所述的多孔金电极。

6.根据权利要求5所述燃料电池在植入式人工智能医疗中的应用，即化学传感器独立器件的能源供给模块。

7.一种制备权利要求1-2所述多孔金电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以泡沫金属为基材，电沉积金锡合金；其中泡沫金属优选泡沫镍。

2)去除金属锡，得到修饰多孔金的电极。

8.根据权利要求7所述的一种多孔金电极的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，电沉积所用金锡合金溶液的组成为：亚硫酸金10g/L～50g/L、甲基磺酸锡10g/L～50g/L、柠檬酸40g/L～90g/L、焦磷酸钾50g/L～90g/L、硫酸钾10g/L～30g/L；所述的金锡合金溶液的组成优选为：亚硫酸金20g/L～40g/L、甲基磺酸锡20g/L～40g/L、柠檬酸50g/L～80g/L、焦磷酸钾60g/L～80g/L、硫酸钾15g/L～25g/L。

9.根据权利要求7所述的一种电极的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述的电沉积温度为40℃～60℃，优选45℃～55℃，电流密度为0.2A/dm²～0.8A/dm²，优选0.3A/dm²～0.7A/dm²，时间为15min～40min，优选20min～30min。

10.根据权利要求7所述的一种电极的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，去除金属锡是使用电化学腐蚀或者化学腐蚀的方法。

11.根据权利要求10所述的一种电极的制备方法，其特征在于：所述化学腐蚀所用的腐蚀液为碱液，所述的碱液浓度为10M～20M，所述的碱为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属碳酸氢盐、碱金属醇盐中的至少一种。

12.根据权利要求10所述的一种电极的制备方法，其特征在于：所述的化学腐蚀时间为20min～40min。