CN113036158B - 一种阳极构建淀粉燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

一种阳极构建淀粉燃料电池的方法，属于燃料电池领域。本发明解决技术问题构建的燃料电池以PdNFs/FeNPs/MFC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淀粉溶液和支持电解质中，设置电位为‑0.2～1.3V，记录浓度为1mmol/L、3mmol/L、5mmol/L、7mmol/L、10mmol/L淀粉的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化淀粉溶液的控制过程进行分析。本发明利用介孔泡沫镍良好的导电性，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，催化效果好、灵敏度高、选择性好、结构稳定等优点，本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。

Description

一种阳极构建淀粉燃料电池的方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种阳极构建淀粉燃料电池的方法。
背景技术
糖燃料电池是美国弗吉尼亚理工大学研究小组开发的一种电池，以糖为能源提供电力，能量密度达到前所未有的水平，继续发展有望替代传统电池成为一种廉价的、可充电而且可生物降解的电池。相关论文发表在2014年1月21日的《自然·通讯》杂志上。糖燃料电池利用了一系列酶，这些酶以一种自然界没有的方式组合在一起。研究人员构造了一种非天然式的合成酶路径，能从糖里面获取所有的电荷势能，在一个小小的酶燃料电池中产生电流。传统电池通常是用昂贵的铂金作催化剂，而他们用的是低成本的生物催化酶。通过一种酶流注，能把糖溶液中的所有电荷缓慢地、一步步地释放出来。
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
针对上述不足，本发明提供一种阳极构建淀粉燃料电池的方法，该方法构建出的燃料电池可提供稳定的电流，且成本较低廉。
本发明解决技术问题构建的燃料电池以PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极为工作电极，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淀粉溶液和支持电解质中，设置电位为-0.2～1.3V，记录浓度为1mmol/L、3mmol/L、5mmol/L、7mmol/L、10mmol/L淀粉的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化淀粉溶液的控制过程进行分析。
进一步地，所述支持电解质为1mol/LKOH水溶液，pH为14。
进一步地，所述PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极包括：介孔泡沫镍为基底和导电层，铁钯颗粒为电化学沉积层，所述纳米钯-铁颗粒沉积在介孔泡沫镍上。
原理：PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极是以介孔泡沫镍(MFC)为基底，MFC孔径均一且多孔，有巨大的比表面积与三维孔道结构，具有良好的导电性。在MFC上沉积出纳米铁粒子，在纳米铁上电沉积出纳米钯。因为介孔泡沫镍有巨大的比表面积，故可以沉积出大量的纳米铁粒子，从而使得纳米钯附着在纳米铁上的面积增大，扩大了其对淀粉的接触面积，使其电流增大，达到增大电池输出功率的目的。
PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极对于淀粉具有高灵敏度，优异的催化效果，以及良好的选择性。
有益效果：本发明利用介孔泡沫镍良好的导电性，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，催化效果好、灵敏度高、选择性好、结构稳定等优点，本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。
附图说明
图1为基于介孔泡沫镍的纳米钯-铁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。
图3为不同浓度淀粉溶液的循环伏安曲线。
图4为不同浓度的淀粉的标准曲线。
图5为PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极抗毒化曲线。
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PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极的制备方法为：
取一块待用的介孔泡沫镍，切割出尺寸为10*20mm规格的介孔泡沫镍，备用。用去离子水冲洗，烘干。
电极制备具体步骤如下：
(1)采用三电极体系，用清洗后的介孔泡沫镍电极作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝电极为参比电极和对电极放入盛有硫酸亚铁溶液(0.02mol/L硫酸亚铁+0.1mol/L硫酸钠+0.1mol/L抗坏血酸)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-1.2V，时间300s。
(2)采用三电极体系，以纳米结构的FeNPs/介孔泡沫镍玻璃浸入将三电极体系置于以pH＝4的醋酸-醋酸钠为缓冲溶液，浓度为5mmol/L的PdCl2溶液中的混合物5min，5min后取出超纯水洗，氮气吹干，放置两天备用。
基于介孔泡沫镍/纳米钯-铁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-0.2～1.3V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10mmol/L的淀粉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PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极在10mmol/L的淀粉的催化效果。从图中可以看出PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极对淀粉催化电流为1000000μA/cm2/mol。表明PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
实施例2PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极对不同相同浓度的淀粉的循环伏安响应依次将三电极体系置于1mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的不同浓度的淀粉待测液中，在50mV/S的扫速下测定1mmol/L、3mmol/L、5mmol/L、7mmol/L、10mmol/L淀粉溶液，利用循环伏安法，在-0.2～1.3V的电位范围内进行扫描。记录不同浓度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，随着浓度不断增大，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.淀粉的氧化还原反应受扩散控制。在1～10mmol/L的范围内两者之间还存在着良好的线性关系，淀粉的氧化峰电流与浓度的线性回归方程为I＝0.0005C+0.0038，相关系数为0.9483。
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0.65V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20％。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 (3)

1.一种阳极构建淀粉燃料电池的方法，其特征在于，该方法以PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极为工作电极，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淀粉溶液和支持电解质中，设置电位为-0.2～1.3V，记录浓度为1mmol/L、3mmol/L、5mmol/L、7mmol/L、10mmol/L淀粉的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化淀粉溶液的控制过程进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种阳极构建淀粉燃料电池的方法，其特征在于，所述支持电解质为1mol/LKOH水溶液，pH为14。
3.根据权利要求1所述的一种阳极构建淀粉燃料电池的方法，其特征在于，PdNFs/FeNPs/介孔泡沫镍电极制备步骤如下：
(1)采用三电极体系，用清洗后的介孔泡沫镍电极作为工作电极，Ag/AgCl电极和铂丝电极为参比电极和对电极放入盛有0.02mol/L硫酸亚铁、0.1mol/L硫酸钠、0.1mol/L抗坏血酸的电解池中，采用计时电流法，设置电化学工作站电沉积参数：电压-1.2V，时间300s；
(2)采用三电极体系，以纳米结构的FeNPs/介孔泡沫镍玻璃浸入将三电极体系置于以pH＝4的醋酸-醋酸钠为缓冲溶液，浓度为5mmol/L的PdCl2溶液中的混合物5min，5min后取出超纯水洗，氮气吹干，放置两天备用。
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