CN113013420B - 一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池领域，公开了一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法。以CuO‑NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极系统，将该三电极系统置于支持电解质和果糖溶液和支持电解质为燃料组合构建成为果糖燃料电池。该制备方法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。

Description

一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，本发明涉及一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法。具体涉及一种基于ITO的纳米镍-氧化铜复合电极(CuO-NiNPs/ITO电极)在果糖溶液电催化氧化构建果糖燃料电池的应用。
背景技术
燃料电池现有研究中通常采用葡萄糖作为糖类燃料电池的研究，并且在现阶段，生物酶常用于葡萄糖燃料电池的氧化，以制备出具有较好氧化活性的燃料电池阳极。然而，由于酶的耐受性不足，无法在强酸性或强碱性环境下存活，并且也无法提供稳定的电流，因而限制其在燃料电池方面的应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法，该制备方法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。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法；以CuO-NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极系统，将该三电极系统置于支持电解质和果糖溶液和支持电解质为燃料组合构建成为果糖燃料电池。
将构建的CuO-NiNPs/ITO阳极与阴极通过导线连接，插入的果糖溶液中，自发反应氧化果糖，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。
进一步地，所述支持电解质为0.01-1mol/LKOH，优选为1mol/LKOH，pH为14。
进一步地，所述CuO-NiNPs/ITO电极包括：氧化铟锡导电玻璃(ITO)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ITO上。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供的果糖燃料电池抗毒化能力强，结构稳定。
本发明提供的果糖燃料电池所采用的电极利用ITO良好的导电性，制得一种对果糖具有高灵敏度的电极，且该电极在果糖为基液时，催化效果好、灵敏度高、选择性好、结构稳定等优点，本发明提供的燃料电池可用于制作随身充电宝，可用于发电厂及电动汽车等领域。
果糖来源广泛，是可再生能源，所制燃料电池体积小巧，燃料利用便利，洁净环保。燃料在常温常压下为液体，相比于其它燃料电池而言，具有安全可靠、能量密度高、操作温度低、无电解质腐烛等优点。
附图说明
图1为基于ITO的纳米镍-氧化铜复合电极表面形貌图。
图2为果糖溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图。
图3为不同扫速果糖溶液的循环伏安曲线图。
图4为不同扫速的果糖的标准曲线图。
图5为CuO-NiNPs/ITO电极抗毒化曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法；
一种具有抗毒化能力的果糖燃料电池的制备方法；以CuO-NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极系统，将该三电极系统置于支持电解质和果糖溶液和支持电解质为燃料组合构建成为果糖燃料电池。将构建的CuO-NiNPs/ITO阳极与阴极通过导线连接，插入的果糖溶液中，自发反应氧化果糖，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。
所述支持电解质为1mol/LKOH，pH为14。
所述CuO-NiNPs/ITO电极的制备具体步骤如下所示：
(1)制备ITO电极
取一块待用的ITO玻璃，用万用表测试ITO玻璃导电面，确保导电面朝下，用玻璃刀切割出尺寸为10*20mm规格的ITO玻璃，备用；将ITO玻璃用去离子水超声清洗30min，取出、去离子水冲洗，氮气吹干；将去离子水清洗吹干后的电极放入丙酮溶液中超声清洗30分钟，取出、去离子水冲洗，氮气吹干；将丙酮清洗吹干后的电极放入乙醇溶液中超声清洗30分钟，取出、去离子水冲洗，氮气吹干。将ITO玻璃(导电面朝上)置于紫外臭氧清洗机中，30min臭氧处理，得到ITO电极；
(2)制备NiNPs/ITO电极；
采用三电极体系，用清洗后的ITO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；采用电流扫描计时电位法，设置电化学工作站电沉积参数：初始电流0.5A，终点电流0.1A，电流扫描速率0.002V/S，上限电位-0.65V，下限电位-1.2V。得到NiNPs/ITO电极。
(3)制备CuO-NiNPs/ITO电极
以纳米结构的NiNPs/ITO电极浸入硫酸铜(0.02M)和硫酸(0.5M)的混合物中，使用铂电极作为对电极，Ag/Ag Cl作为参比电极。利用线性扫描，在-0.2～1.3V的电位范围沉积铜，重复上述步骤五次，沉积完后放置一天后备用。得到基于ITO/纳米镍-氧化铜复合电极(CuO-NiNPs/ITO电极)。
基于ITO/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。
实验研究1电极抗毒化能力的测定
三电极体系为以CuO-NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极体系，
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果糖待测液中。利用时间电流法，在0.55V的电位下,记录果糖的时间电流曲线。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果糖分子。之后新果糖分子的吸附取决于通过果糖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6％。所以CuO-NiNPs/ITO电极制备的果糖燃料电池的抗毒化能力强，结构稳定。
实验研究2
果糖溶液燃料电池与空白溶液循环伏安曲线对比
三电极体系为以CuO-NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极体系，
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的果糖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，记录果糖的循环伏安曲线。如附图2所示：100mV/s的扫描速度下测试CuO-NiNPs/ITO电极在10mmol/L的果糖的催化效果。从图2中可以看出CuO-NiNPs/ITO电极对果糖催化活性很好。表明CuO-NiNPs/ITO电极所组成的果糖燃料电池能将生物能高效转换为电能。
实验研究3
CuO-NiNPs/ITO电极对不同扫速的相同浓度的果糖溶液燃料电池的循环伏安响应
三电极体系为以CuO-NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极体系，
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果糖待测液中，在同浓度测试不同扫速的果糖溶液，扫描速率分别为20m V/s、40m V/s、60mV/s、80mV/s、100m V/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果糖的循环伏安曲线。如附图3和附图4所示：从图3和图4中可以看出，随着扫速不断增大，纳米CuO-NiNPs/ITO电极在果糖溶液中的氧化电流也不断增大，氧化峰也不断升高，呈现出良好的催化果糖的线性响应，由此可以证明CuO-NiNPs/ITO电极催化果糖溶液是扩散控制。可以保证燃料充分反应，提高燃料的利用率。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种果糖燃料电池的制备方法，其特征是，以CuO-NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl 电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极系统，将该三电极系统置于支持电解质和果糖溶液和支持电解质为燃料组合构建成为果糖燃料电池；
所述CuO-NiNPs/ITO电极的制备具体步骤如下所示：
（1）制备ITO电极
取一块待用的ITO 玻璃，用万用表测试 ITO 玻璃导电面，确保导电面朝下，用玻璃刀切割出尺寸为10*20mm规格的 ITO 玻璃，备用；将 ITO 玻璃用去离子水超声清洗30 min，取出、去离子水冲洗，氮气吹干；将去离子水清洗吹干后的电极放入丙酮溶液中超声清洗30分钟，取出、去离子水冲洗，氮气吹干；将丙酮清洗吹干后的电极放入乙醇溶液中超声清洗30分钟，取出、去离子水冲洗，氮气吹干；将 ITO 玻璃导电面朝上置于紫外臭氧清洗机中，30 min 臭氧处理，得到ITO电极；
（2）制备NiNPs/ITO电极；
采用三电极体系，用清洗后的ITO 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0.02M的硫酸镍和0.1M的硫酸钠溶液的电解池中；采用电流扫描计时电位法，设置电化学工作站电沉积参数：初始电流0.5A，终点电流0.1A，电流扫描速率0.002V/S，上限电位-0.65V，下限电位-1.2V；得到NiNPs/ITO电极；
（3）制备CuO-NiNPs/ITO电极
以纳米结构的NiNPs/ITO电极浸入0.02M的硫酸铜和0.5M的硫酸的混合物中，使用铂电极作为对电极，Ag / Ag Cl 作为参比电极；利用线性扫描，在- 0.2～1.3 V 的电位范围沉积铜，重复上述步骤五次，沉积完后放置一天后备用；得到CuO-NiNPs/ITO电极。
2. 如权利要求1所述的一种果糖燃料电池的制备方法，其特征是，所述支持电解质为1mol/LKOH，pH 为14。
3.如权利要求1所述的一种果糖燃料电池的制备方法，其特征是，所述CuO-NiNPs/ITO电极包括：ITO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ITO上。
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