CN112993266B - 一种应用CuO-NiNPs/碳布可塑电极构建的构建淀粉燃料电池 - Google Patents

一种应用CuO-NiNPs/碳布可塑电极构建的构建淀粉燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用CuO‑NiNPs/碳布可塑电极构建的构建淀粉燃料电池，属于燃料电池领域。主要技术方案为一种应用CuO‑NiNPs/碳布可塑电极构建的构建淀粉燃料电池，将CuO‑NiNPs/碳布阳极与阴极通过导线连接，插入淀粉溶液中，自发反应氧化淀粉，实现生物质能向电能转化，阳极产生的电子通过导线传递到阴极上，将氧气还原成氢氧根离子，实现电能的存储。本发明在碳布基底上原位合成CuO‑NiNPs，得到三维立体结构，大大提高了催化剂的表面积，使淀粉与催化剂接触面积大，氧化的淀粉速率快，单位时间内提供更多的功，能最大限度发挥CuO‑NiNPs的催化活性。

Description

一种应用CuO-NiNPs/碳布可塑电极构建的构建淀粉燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种应用CuO-NiNPs/碳布可塑电极构建的构建淀粉燃料电池。
背景技术
淀粉燃料电池电池是一种使淀粉水溶液直接在燃料电池阳极上氧化产生电能的一种电化学转化装置。与作为燃料电池的氢气相比较，淀粉燃料电池具有如下优点：①淀粉的能量密度远远高于一般压力的氢气；②淀粉在通常条件下多为固态，便于储存、运输和携带，无须像氢气一样进行加压和使用高性能的耐高压容器；③淀粉来源丰高，基于这些优点，淀粉燃料电池受到了全球科学界的广泛关注和研究。然而，淀粉燃料电池也存在许多困难和挑战。由于淀粉的阳极氧化比氢气要困难许多，加上淀粉氧化的中间体对催化剂具有强烈的毒化作用等原因，目前的淀粉燃料电池不得不大量使用贵金属铂作为催化剂；除此之外，淀粉燃料电池也存在电极密度低、使用寿命短等问题，使得淀粉燃料电池的发展和商业化也面临着极大的挑战。事实上，开发高活性、高抗毒性的淀粉燃料电池阳极催化材料已成为淀粉燃料电池实现低成本商业化的关键之所在。用于淀粉燃料电池阳极催化最为有效的催化剂仍然是铂，随着铂纳米颗粒的不断减小及纳米结构的不断创新和优化，催化剂的活性不断提高，铂的使用量不断降低，已从早期的每平方厘米数十毫克降低到了目前的数毫克的水平，但是这一用量仍然远远高于目前氢氧燃料电池的阳极铂使用量(0.1mg/cm2)，因此，探索具有新组成和结构的纳米催化材料，有效降低阳极金属铂的使用量或不使用铂已成为淀粉燃料电池阳极催化材料的重要研究方向。铂纳米粒子用于淀粉电氧化催化剂时，难以抵御CO类中间体的毒化作用，因此，开发高活性、高抗毒性非铂合金催化剂是目前的最佳选择。
发明内容
本发明目的是开发一种非酶燃料电池阳极，结合纳米材料的优势，以获得一种具有较高催化活性和稳定性的燃料电池阳极，提高化学能的转换率，促进燃料电池的发展。本发明以碳布为基底，并在基地上利用电化学沉积法沉积纳米镍-氧化铜颗粒，制备出纳米镍-氧化铜电极。以CuO-NiNPs/碳布电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助电极组成三电极系统，将该三电极系统置于以氢氧化钾溶液为电解质的淀粉溶液为燃料组合构建成为该燃料电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种应用CuO-NiNPs/碳布可塑电极构建的构建淀粉燃料电池，将CuO-NiNPs/碳布阳极与阴极通过导线连接，插入淀粉溶液中，自发反应氧化淀粉，实现生物质能向电能转化，阳极产生的电子通过导线传递到阴极上，将氧气还原成氢氧根离子，实现电能的存储；
所述支持电解质含1mol/LKOH，pH为14。
所述CuO-NiNPs/碳布电极包括：碳布为基底和导电层，纳米镍-氧化铜颗粒为电化学沉积层，所述纳米镍-氧化铜颗粒沉积在碳布上。
本发明的有益效果：本发明利用碳布良好的导电性，制得一种对淀粉具有高灵敏度的电极，且该电极在淀粉为基液时，具有催化效果好、灵敏度高、选择性好、结构稳定等优点。碳布是碳纤维丝机织而成，碳纤维具有耐高温、导电、耐腐蚀等特性。碳布导电性好，做基底时可以减少接触电阻，提高燃料电池功率。碳布基底上原位合成CuO-NiNPs，得到是三维立体结构，大大提高了催化剂的表面积，使淀粉与催化剂接触面积大，氧化的淀粉速率快，单位时间内提供更多的功，能最大限度发挥CuO-NiNPs的催化活性。
附图说明
图1为基于碳布的纳米镍-氧化铜复合电极表面形貌图。
图2为淀粉溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图；
其中：a、淀粉溶液，b、空白溶液。
图3为不同扫速淀粉溶液的循环伏安曲线；
其中：a、100mV/s，b、80mV/s，c、60mV/s，d、40mV/s，e、20mV/s。
图4为不同扫速的淀粉的标准曲线。
图5为CuO-NiNPs/碳布电极抗毒化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但本发明不以任何形式受限于实施例内容。实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；如无特殊说明，所述实验试剂和材料，均可从商业途径获得。
下述实施例CuO-NiNPs/碳布电极的制备方法为：
取一块待用的碳布，切割出尺寸为10*20mm规格的碳布，备用。将碳布用去离子水超声清洗30min，取出、去离子水冲洗，烘干。
电极制备具体步骤如下：
(1)采用三电极体系，用清洗后的碳布电极作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝电极为参比电极和对电极放入盛有硫酸镍(0.02M)和硫酸钠(0.1M)溶液的电解池中。采用计时电流法，设置电化学工作站电沉积参数：电压-1.0V，时间300s。
(2)采用三电极体系，以纳米结构的Ni/碳布玻璃浸入硫酸铜(0.02M)和硫酸(0.5M)的混合物中，使用铂电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极。利用循环伏安法，在-0.2～1.3V的电位范围沉积铜，沉积完后放置一天后备用。
基于碳布/纳米镍-氧化铜复合电极表面形貌图如图1所示：电极上的纳米粒子颗粒大小和分布均匀，电催化性能尤为突出。
实施例1淀粉溶液与空白溶液循环伏安曲线对比
首先，将三电极体系置于pH为14浓度为1mol/L的KOH溶液中，利用循环伏安法，在-0.2～1.2V的电位范围内进行扫描，记录空白溶液的循环伏安曲线；然后，将三电极体系置于含有1mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的10mmol/L的淀粉待测液中利用循环伏安法，在-0.2～1.2V的电位范围内进行扫描，记录淀粉的循环伏安曲线。如附图2所示：100mV/s的扫描速度下测试CuO-Ni电极在10mmol/L的淀粉的催化效果。从图中可以看出CuO-Ni电极对淀粉催化活性很好。表明CuO-Ni电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
实施例2CuO-NiNPs/碳布电极对不同扫速的相同浓度的淀粉的循环伏安响应
依次将三电极体系置于含有1mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的10mm淀粉待测液中，在同浓度测试不同扫速的淀粉溶液，扫描速率分别为20mV/s、40mV/s、60mV/s、80mV/s、100mV/s，利用循环伏安法，在-0.2～1.2V的电位范围内进行扫描。记录同浓度不同扫速的淀粉的循环伏安曲线。如附图3、附图4所示：从图中可以看出，随着扫速不断增大，纳米电极在淀粉溶液中的氧化电流也不断增大，氧化峰也不断升高，呈现出良好的催化淀粉的线性响应，由此可以证明CuO-Ni电极催化淀粉是扩散控制。
实施例3电极抗毒化能力的测定
首先，将三电极体系置于含有1mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的10mm淀粉待测液中，利用时间电流法，在0.55V的电位下，记录淀粉的时间电流曲线。然如附图5所示：电流密度在开始时急剧下降。在反应开始时，它是一个快速动力学反应，因此活性位点不含吸附的淀粉分子。之后，新淀粉分子的吸附取决于通过淀粉氧化释放电催化位点，或者在最初几分钟(速率确定步骤)中形成的中间物质如CO，CHx等，电极催化活性位点被占据。因此，电流密度稍微降低主要是由于催化剂的中毒。此外，在整个测试期间特定电流在前300秒经历了快速下降，并且在测试结束之后仍然是平稳且温和的变化，衰减约为5％。所以电极的抗毒化能力强，结构稳定。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种应用CuO-NiNPs/碳布可塑电极构建的淀粉燃料电池，其特征在于，将CuO-NiNPs/碳布阳极与阴极通过导线连接，插入淀粉溶液中，自发反应氧化淀粉，实现生物质能向电能转化，阳极产生的电子通过导线传递到阴极上，将氧气还原成氢氧根离子，实现电能的存储；
其中，电解质含1mol/LKOH，pH为14；
所述CuO-NiNPs/碳布电极为：碳布为基底和导电层，纳米镍-氧化铜颗粒为电化学沉积层，所述纳米镍-氧化铜颗粒沉积在碳布上；
所述CuO-NiNPs/碳布电极的制备方法为：
取一块待用的碳布，切割出尺寸为10*20mm规格的碳布，备用，将碳布用去离子水超声清洗30min，取出、去离子水冲洗，烘干；
采用三电极体系，用清洗后的碳布作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝电极分别为参比电极和对电极，放入盛有0.02M的硫酸镍溶液和0.1M的硫酸钠溶液的电解池中，采用计时电流法，设置电化学工作站电沉积参数：电压-1.0V，时间300s；
采用三电极体系，以纳米结构的Ni/碳布浸入0.02M的硫酸铜和0.5M的硫酸的混合物中，作为工作电极，使用铂电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，利用循环伏安法，在-0.2～1.3V的电位范围沉积铜，沉积完后放置一天后备用。
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