CN113013453A - 一种构建甲醇燃料电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池领域,公开了一种构建甲醇燃料电池的方法。以NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极为工作电极,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甲醇溶液和支持电解质中,构建成为甲醇燃料电池。该方法构建的燃料电池催化效果好、灵敏度高、选择性好、结构稳定。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域,本发明涉及一种构建甲醇燃料电池的方法。具体涉及一种基于Fabric的银纳米线/纳米金/纳米镍复合电极(NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极)在甲醇溶液电催化氧化构建甲醇燃料电池的方法。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将化学能转化为电能的装置。使用化石燃料如石油、瓦斯等燃烧来发电,其能源利用效率只有约30%,而燃料电池则不受卡诺循环的限制,直接通过催化剂催化燃料与氧气发生反应将化学能转化为电能,能源效率高达70%,并且产物多为水对环境损害极低。根据电解质区分,燃料电池可分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及碱性燃料电池等。
虽然燃料电池在一些方面有着较大的优越性,但在寿命、稳定性等方面还存在着诸多问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种构建甲醇燃料电池的方法,该方法构建的燃料电池催化效果好、灵敏度高、选择性好、结构稳定。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的:
一种构建甲醇燃料电池的方法,以NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极为工作电极,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甲醇溶液和支持电解质中,构建成为甲醇燃料电池。
进一步地,所述支持电解质为0.1-1mol/LKOH,优选为1mol/LKOH,pH为14。
进一步地,所述NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极包括:Fabric为基底,银纳米线为导电层,纳米镍金颗粒为电化学沉积层,所述纳米镍颗粒沉积在纳米金颗粒上,纳米金颗粒沉积在纳米银线上。
进一步的,构建燃料电池具体为:将NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极阳极与阴极通过导线连接,插入的甲醇溶液中,自发反应氧化甲醇,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。
进一步的,所述NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极的制备方法具体为:
(1)制备AgNWs/Fabric可塑电极;
取一块待用的Fabric,切割出尺寸为10*20mm规格,备用;将Fabric用乙醇超声清洗20-50分钟,取出、去离子水冲洗,烘干。超声清洗时间优选为30min。
将无水乙醇与水按9:1的体积比混合作为溶剂,配制浓度为5mg/mL的银纳米线溶液,将银纳米线溶液均匀地铺展在Fabric基片表面的凹槽内,于室温下放置干燥一天以上,即制备出AgNWs/Fabric可塑电极。
(2)花状纳米金沉积制备AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极;
采用三电极体系,用AgNWs/Fabric可塑电极浸入H2SO4(0.5M)和KAu Cl4(5mg/m L)的混合物中,使用铂电极作为对电极,Ag/Ag Cl作为参比电极;采用阶梯波伏安法,设置参数为:初始电位:-0.75V,终点电位:-0.35V,电位增量:0.05V,扫描段数:20,阶梯宽度:10s;沉积完后的电极氮气保护,放置三天后备用,即制备出AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极。
(3)NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric复合电极的制备
采用三电极体系,以纳米结构的AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极作为工作电极,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溶液的电解池中。采用计时电量法,设置电化学工作站电沉积参数:初始电压:-1V,终点电位:-0.35V,阶跃次数:15,脉冲宽度:40s。立即将电极取出,用去离子水多次冲洗,沉积完后的电极氮气保护,放置三天后备用。即制备出NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric复合电极。
本发明技术方案中的超声频率均为40KHz。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
本发明利用Fabric良好的柔韧性并结合银纳米线良好的导电性,制得一种对甲醇具有高灵敏度的电极,并基于此电极提供一种构建甲醇燃料电池的方法,且该电极在甲醇为基液时,催化效果好、灵敏度高、选择性好、结构稳定等优点,制备的燃料电池具有较高的电流密度和输出功率;制备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。
本发明提供的构建甲醇燃料电池中,开发一种非酶燃料电池阳极,结合纳米材料的优势,获得一种具有较高催化活性和稳定性的燃料电池阳极,以此电极构建甲醇燃料电池提高化学能的转换率,促进燃料电池的发展。
本发明提供的制备AgNWs/Fabric可塑电极,如图6所示,用乙醇超声清洗时间选用30min时,清洗干净,且与50min的清洗效果相一致,优选为30min,提高效率又节约成本。无水乙醇与水按9:1的体积比混合作为溶剂在铺展银纳米线时,更容易铺展均匀。银纳米线溶液浓度为5mg/mL时铺展均匀,导电性最好。
金溶液浓度过稀,基底表面富集金离子过少,晶核过少,晶体成长太慢,得到的纳米粒子小,得到的孔径小,不利于甲醇溶液扩散到催化剂内部的活性位点上。金溶液浓度过浓,基底表面富集金离子过多,晶核过多,晶体成长又大又快,得到的纳米粒子大,孔径大,在甲醇溶液扩散到催化剂内部的活性位点上时,也有一些大分子也扩散到催化剂内部的活性位点上,堵塞活性位点,阻碍主反应的进一步进行。综上所述KAu Cl4的浓度以5mg/m L为最佳。
附图说明
图1为基于Fabric的纳米银线/纳米金/纳米镍复合电极表面形貌图。
图2为甲醇溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图。
图3为不同扫速甲醇溶液的循环伏安曲线图。
图4为不同扫速的甲醇的标准曲线图。
图5为不同电极对甲醇的响应结果图。
图6为不同超声清洗时间效果对比图。(a)清洗10min,(b)清洗30min,(c)清洗50min。
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
一种构建甲醇燃料电池的方法,
(1)制备AgNWs/Fabric可塑电极;
取一块待用的Fabric,切割出尺寸为10*20mm规格,备用;将Fabric用乙醇超声清洗30分钟,取出、去离子水冲洗,烘干。
将无水乙醇与水按9:1的体积比混合作为溶剂,配制浓度为5mg/mL的银纳米线溶液,将银纳米线溶液均匀地铺展在Fabric基片表面的凹槽内,于室温下放置干燥一天以上,即制备出AgNWs/Fabric可塑电极。
(2)花状纳米金沉积制备AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极;
采用三电极体系,用AgNWs/Fabric可塑电极浸入H2SO4(0.5M)和KAu Cl4(5mg/mL)的混合物中,使用铂电极作为对电极,Ag/Ag Cl作为参比电极;采用阶梯波伏安法,设置参数为:初始电位:-0.75V,终点电位:-0.35V,电位增量:0.05V,扫描段数:20,阶梯宽度:10s;沉积完后的电极氮气保护,放置三天后备用,即制备出AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极。
(3)NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric复合电极的制备
采用三电极体系,以纳米结构的AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极作为工作电极,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溶液的电解池中。采用计时电量法,设置电化学工作站电沉积参数:初始电压:-1V,终点电位:-0.35V,阶跃次数:15,脉冲宽度:40s。立即将电极取出,用去离子水多次冲洗,沉积完后的电极氮气保护,放置三天后备用。即制备出NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric复合电极。
以NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极为工作电极,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甲醇溶液和支持电解质中,构建成为甲醇燃料电池。
基于NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric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
甲醇溶液与空白溶液分别构建燃料电池循环伏安曲线对比
首先,将三电极体系置于pH为1浓度为1mol/L的KOH溶液中,利用循环伏安法,在-0.2~1.3V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100mmol/L的甲醇待测液中利用循环伏安法,在-0.2~1.3V的电位范围内进行扫描,记录甲醇的循环伏安曲线。如附图2所示:100mV/s的扫描速度下测试Au-Ni电极在100mmol/L的甲醇的催化效果。从图中可以看出Au-Ni电极对甲醇催化活性很好。表明NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric电极所组成的燃料构成的甲醇燃料电池能将生物能高效转换为电能。
实验研究2
NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极对不同扫速的相同浓度的甲醇的循环伏安响应
按实施例1制备甲醇燃料电池。
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100mm甲醇待测液中,在同浓度测试不同扫速的甲醇溶液,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-0.2~1.3V的电位范围内进行扫描。记录同浓度不同扫速的甲醇的循环伏安曲线。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,纳米电极在甲醇溶液中的氧化电流也不断增大,氧化峰也不断升高,呈现出良好的催化甲醇的线性响应,由此可以证明Au-Ni电极催化甲醇是扩散控制。
实验研究3
不同电极对甲醇的响应
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-0.2~1.3V的电位范围内进行扫描,记录甲醇的循环伏安曲线。然后,改变工作电极,以NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极为工作电极,利用循环伏安法,在-0.2~1.3V的电位范围内进行扫描,记录循环伏安曲线,如附图5所示:在100mV/s的扫描速度下测试NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极和NiNPs/AgNWs/Fabric电极在1mol/L,pH为14的KOH溶液作为支持电解质的100mm甲醇溶液中的催化效果。通过对比伏安曲线可以看出,NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极的催化效果远大于NiNPs/AgNWs/Fabric电极,因此NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极对甲醇的催化活性很好。表明NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
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 (4)
1.一种构建甲醇燃料电池的方法,其特征是,以NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极为工作电极,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甲醇溶液和支持电解质中,构建成为甲醇燃料电池。
2.如权利要求1所述的一种构建甲醇燃料电池的方法,其特征是,所述支持电解质为1mol/LKOH,pH为14。
3.如权利要求2所述的一种构建甲醇燃料电池的方法,其特征是,所述NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极包括:Fabric为基底,银纳米线为导电层,纳米镍金颗粒为电化学沉积层,所述纳米镍颗粒沉积在纳米金颗粒上,纳米金颗粒沉积在纳米银线上。
4.如权利要求3所述的一种构建甲醇燃料电池的方法,其特征是,所述NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极的制备方法具体为:
(1)制备AgNWs/Fabric可塑电极;
取一块待用的Fabric,切割出尺寸为10*20mm规格,备用;将Fabric用乙醇超声清洗30分钟,取出、去离子水冲洗,烘干;
将无水乙醇与水按9:1的体积比混合作为溶剂,配制浓度为5mg/mL的银纳米线溶液,将银纳米线溶液均匀地铺展在Fabric基片表面的凹槽内,于室温下放置干燥一天以上,即制备出AgNWs/Fabric可塑电极;
(2)花状纳米金沉积制备AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极;
采用三电极体系,用AgNWs/Fabric可塑电极浸入H2SO4和KAuCl4的混合物中,使用铂电极作为对电极,Ag/Ag Cl作为参比电极;采用阶梯波伏安法,设置参数为:初始电位:-0.75V,终点电位:-0.35V,电位增量:0.05V,扫描段数:20,阶梯宽度:10s;沉积完后的电极氮气保护,放置三天后备用,即制备出AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极;
(3)NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric复合电极的制备
采用三电极体系,以纳米结构的AuNPs/AgNWs/Fabric可塑电极作为工作电极,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溶液的电解池中;采用计时电量法,设置电化学工作站电沉积参数:初始电压:-1V,终点电位:-0.35V,阶跃次数:15,脉冲宽度:40s。立即将电极取出,用去离子水多次冲洗,沉积完后的电极氮气保护,放置三天后备用。即制备出NiNPs/AuNPs/AgNWs/Fabric复合电极。
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