CN113054201B - 基于NiNPs/AuNPs/CFP电极电催化氧化蔗糖溶液构建蔗糖燃料电池的方法 - Google Patents

基于NiNPs/AuNPs/CFP电极电催化氧化蔗糖溶液构建蔗糖燃料电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于NiNPs/AuNPs/CFP电极电催化氧化蔗糖溶液构建蔗糖燃料电池的方法。以NiNPs/AuNPs/CFP可塑电极为工作电极，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蔗糖溶液和支持电解质中，设置初始电位为‑0.2V，终止电位为1.3V，记录扫描速度范围为20～100mV/S的10mmol/L蔗糖的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化蔗糖溶液的控制过程进行分析。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。

Description

基于NiNPs/AuNPs/CFP电极电催化氧化蔗糖溶液构建蔗糖燃 料电池的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种基于CFP的纳米金/纳米镍复合电极在蔗糖溶液电催化氧化构建蔗糖燃料电池的应用。
背景技术
随着社会的发展，对化石燃料的需求飞速增长，加速了化石燃料的枯竭及其对环境的严重污染，因而限制人类社会的发展和严重影响人类健康。为了减轻化石燃料对环境的污染和对人类健康的影响，找到化石燃料的替代品至关重要。目前世界各地积极且广泛的开展可在生能源的技术研究和开发利用。目前，化石燃料的主要替代品有生物柴油、液态氢气、太阳能、风能等，燃料电池也是化石燃料的替代品。该替代品在来源分布，运输等方面优于其他替代品，且燃料电池高清洁、高转化率、低排放等优势被应用于解决能源问题。
发明内容
为弥补现有技术的空白，本发明开发了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。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明以碳纸（CFP）为基底，并在基底上利用电化学沉积法沉积纳米金-镍颗粒，制备出纳米金-镍电极。
本发明以NiNPs/AuNPs/CFP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蔗糖溶液为燃料组合构建成为该燃料电池。构建的NiPs/AuNPs/CFP阳极与阴极通过导线连接，插入的蔗糖溶液中，自发反应氧化蔗糖，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。
所述的NiPs/AuNPs/CFP电极包括基底层和导电层CFP，纳米镍、纳米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CFP上。
进一步地，所述支持电解质为1mol/L KOH，pH 为14。
对上述燃料电池进行性能测试：
以NiNPs/AuNPs/CFP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蔗糖溶液和支持电解质中，设置电位为-0.2 ~1.3V，记录扫描速度范围为 20～100 mV/S的10mmol/L蔗糖的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化蔗糖溶液的控制过程进行分析。
本发明同时请求保护上述燃料电池在生物燃料电池领域的应用。
采用CFP作为基底和导电层的作用与优势是：CFP具有良好的导电性，且具有柔性，可以做成柔性可穿戴设备的供电系统。金纳米粒子采用计时电流法沉积，也就是在恒电位下沉积下来的纳米粒子，得到的金纳米粒子均一，使电极抗毒化能力强。纳米镍颗粒的加入一方面是为了降低成本，更主要的是镍与金的协同催化，使电极催化相同浓度的蔗糖时，具有更高的电流，可以提供更高的功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用CFP良好的导电性，制得一种对蔗糖具有高灵敏度的电极，且该电极在蔗糖为基液时，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。采用本发明方法制备的燃料电池具有较高的电流密度及输出功率。
附图说明
图1 为基于CFP的纳米金/纳米镍复合电极表面形貌图。
图2 为蔗糖溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图。
图3 为不同扫速蔗糖溶液的循环伏安曲线。
图4 为不同扫速的蔗糖的标准曲线。
图5 为不同电极对蔗糖的响应结果。
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。
下述实施例中NiNPs/AuNPs/CFP电极的制备方法为：
取一块待用的CFP，切割出尺寸为10*20mm规格，备用。将 CFP水浴加热在85℃，加热时间为8小时。取出，超纯水冲洗烘干。
电极制备具体步骤如下：
(1)花状纳米金沉积
采用三电极体系，用改性后的 CFP 电极浸入H2SO4（0.1M）和 KAu Cl4(2 mg/m L)的混合物中，使用铂电极作为对电极，Ag/AgCl 作为参比电极。采用计时电流法，设置参数，初始电压-0.2 V，上限点位-0.7V，下限电位-0.1V，阶跃次数：15，脉冲时间60s。进行沉积。沉积完后的电极取出超纯水洗净氮气吹干，氮气保护，放置两天后备用。
(2)NiNPs/AuNPs/CFP复合电极的制备
采用三电极体系，以步骤（1）制备的纳米结构的AuNPs/CFP玻璃作为工作电极，Ag/AgCl 电极和铂丝电极为参比电极和对电极放入盛有1mol/L硫酸镍溶液的电解池中。采用差分脉冲伏安法，设置电化学工作站电沉积参数：初始电压-0.75V，终点电位-0.2V，电位增量0.05V，振幅3s，脉冲宽度0.5s，脉冲周期20s。沉积完后的电极立即将电极取出，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，该NiNPs/AuNPs/CFP电极上，纳米金颗粒、纳米镍颗粒质量比为7:2。
基于CFP/纳米镍金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 蔗糖溶液与空白溶液循环伏安曲线对比
以NiNPs/AuNPs/CFP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。
首先，将三电极体系置于pH为1浓度为1 mol/L的KOH溶液中，利用循环伏安法，在-0.2～1.3 V 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 1 mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的10mmol/L的蔗糖待测液中利用循环伏安法，在- 0.2～1.3 V 的电位范围内进行扫描，记录蔗糖的循环伏安曲线。如附图 2所示：100mV/s的扫描速度下测试 NiNPs/AuNPs/CFP电极在10mmol/L的蔗糖的催化效果。从图中可以看出NiNPs/AuNPs/CFP电极对蔗糖催化活性很好。表明NiNPs/AuNPs/CFP 电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
实施例2 NiNPs/AuNPs/CFP电极对不同扫速的相同浓度的蔗糖的循环伏安响应
依次将三电极体系置于含有1 mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的10mmol/L蔗糖待测液中，在同浓度测试不同扫速的蔗糖溶液，扫描速率分别为 20 m V/s、40 m V/s、60 m V/s、 80mV/s、100 m 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蔗糖的循环伏安曲线。如附图 3、 附图 4所示：从图中可以看出，随着扫速不断增大，纳米电极在蔗糖溶液中的氧化电流也不断增大，氧化峰也不断升高，呈现出良好的催化蔗糖的线性响应，由此可以证明NiNPs/AuNPs/CFP 电极催化蔗糖是扩散控制。
实施例3 不同电极对蔗糖的响应
首先，将三电极体系置于pH为14浓度为1 mol/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，记录蔗糖的循环伏安曲线。然后，改变工作电极，以NiNPs/CFP电极为工作电极，利用循环伏安法，在-0.2～1.3 V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/CFP 电极和NiNPs/CFP电极在1 mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的10mm蔗糖溶液中的催化效果。通过对比伏安曲线可以看出，NiNPs/AuNPs/CFP电极的催化效果远大于NiNPs/CFP电极，因此NiNPs/AuNPs/CFP 电极对蔗糖的催化活性很好。表明NiNPs/AuNPs/CFP电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
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 (4)

1.基于NiNPs/AuNPs/CFP电极电催化氧化蔗糖溶液构建蔗糖燃料电池的方法，其特征在于，以NiNPs/AuNPs/CFP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，将工作电极置于以氢氧化钾溶液为电解质，以蔗糖溶液为燃料的混合溶液中，组合构建成燃料电池，构建的NiNPs/AuNPs/CFP阳极与阴极通过导线连接，插入的蔗糖溶液中，自发反应氧化蔗糖；
其中，所述的NiNPs/AuNPs/CFP电极包括基底CFP和导电层，导电层包括纳米金颗粒层和纳米镍颗粒层，纳米金颗粒、纳米镍颗粒质量比为7:2；纳米金颗粒和纳米镍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CFP上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支持电解质为1mol/L KOH，pH为14。
3.蔗糖燃料电池，其特征在于，按照权利要求1所述方法进行构建。
4.权利要求3所述的蔗糖燃料电池在生物燃料电池领域的应用。
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