CN113054228A - CuO-NiNPs/ITO电极的制备方法及其构建甲醇燃料电池的方法 - Google Patents

CuO-NiNPs/ITO电极的制备方法及其构建甲醇燃料电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及CuO‑NiNPs/ITO电极的制备方法及其构建甲醇燃料电池的方法。以CuO‑NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助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，设置初始电位为‑0.2V，终止电位为1.2V，记录扫描速度范围为20～100mV/S的100mmol/L甲醇的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化甲醇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

CuO-NiNPs/ITO电极的制备方法及其构建甲醇燃料电池的 方法
技术领域
本发明涉及新能源领域，更具体涉及一种基于ITO的纳米镍-氧化铜复合电极CuO-NiNPs/ITO电极在甲醇溶液电催化氧化构建甲醇燃料电池的应用。
背景技术
进入到21世纪，人类面临的是不断加剧的环境污染问题和能源危机。一方面，大量燃烧化石燃料释放的有害气体，包括NOX、SOX等以及各种可吸入颗粒物，这些气体及各种可吸入颗粒对环境造成了巨大的破坏，引发了人们对自身生存状况的担忧。另一方面，化石燃料的开采量剧增、储量下降、幵采难度增大等问题阻碍了人类经济、社会的发展。这就使得对高效、清洁的替代能源的研究提上了日程。为了减少对化石能源的依赖并提升生活品质，人们一方面要加大力度开发利用可再生能源，如因地制宜地利用太阳能、风能、水力能、地热能和生物能等。另一方面要提高现有能源的利用效率，提高效率。这样可以在不降低生活品质的条件下减少对能源的需求量，减少污染物的排放。
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转变为电能的发电装置。燃料电池有许多优点，由于它不受卡诺循环的限制，与传统的能量转换系统相比能量转换效率高，能量转化率最高可达到80％，燃料电池技术是当今能量转化率最高的化学发电技术之一。它一般用氢作燃料，氧气为氧化剂，而产物为水，因而对环境的污染很小。由于不同类型的燃料电池在不同场合的应用，使燃料电池有着广泛的用途。基于此，目前，世界上大量科研工作者致力于以葡萄糖为代表的直接醇类燃料电池的研究。因此，制备出具有较高催化活性以及较强稳定性的燃料电池阳极是加速促进燃料电池实现产业化的的关键。在现阶段，生物酶常用于葡萄糖的氧化，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
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。
本发明的发明构思是：在燃料电池中，醇类燃料电池以廉价易得的醇类为燃料，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，此外，作为燃料的醇类来源广泛、廉价易得。而甲醇来源广泛，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。因此，醇类燃料电池的研究具有很大的应用潜力。
本发明以氧化铟锡导电玻璃(ITO)为基底并在基底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/ITO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甲醇溶液为燃料组合构建成为该燃料电池。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。
本发明第一个目的是提供一种CuO-NiNPs/ITO电极的制备方法，采用的技术方案为：以ITO为基底和导电层，纳米镍-氧化铜颗粒的电化学沉积层，所述纳米镍-氧化铜颗粒沉积在ITO上。
进一步的，所述的电极制备具体步骤如下：
(1)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，制备纳米结构的Ni/ITO玻璃；
(2)采用三电极体系，以纳米结构的Ni/ITO玻璃浸入0.02M硫酸铜和0.5M硫酸的混合物中，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。
本发明第二个目的请求保护甲醇燃料电池的构建方法：
以CuO-NiNPs/ITO电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助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，设置电位为-0.2～1.2V，记录扫描速度范围为20～100mV/S的100mmol/L甲醇的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化甲醇溶液的控制过程进行分析。
进一步地，所述支持电解质含1mol/LKOH，pH为14。
本发明同时请求保护上述电极在生物燃料电池领域上的应用。
本发明利用ITO良好的导电性，制得一种对甲醇具有高灵敏度的电极，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、具有较高的电流密度及输出功率等优点，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本发明构建电催化氧化甲醇燃料电池结构示意图；
图2为甲醇溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图；其中，a为甲醇溶液，b为空白溶液；
图3为不同扫速甲醇溶液的循环伏安曲线；其中，a为100mV/s，b为80mV/s，c为60mV/s，d为40mV/s，e为20mV/s；
图4为不同扫速的甲醇的标准曲线；
图5不同电极对甲醇的响应，其中，a为NiNPs/ITO电极，b为CuO-NiNPs/ITO电极。
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/ITO电极的制备方法为：
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。依次用丙酮、乙醇超声清洗30min，重复上述步骤。将ITO玻璃(导电面朝上)置于紫外臭氧清洗机中，处理30min臭氧处理
电极制备具体步骤如下：
(1)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/ITO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，其中，该电极上纳米镍与氧化铜颗粒的质量比为3:1。
以CuO-NiNPs/ITO电极作阳极，Pt电极作阴极；在阳极池中加入浓度1mol/L的氢氧化钾溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.1mol/L的甲醇作为燃料，在阴极池中加入浓度为0.1mol/L，pH值为14的甲醇溶液并通入氧气，两池之间用阴离子交换膜连接，以此构建形成电催化氧化甲醇燃料电池。附图1所示，将制备的阳极与铂电极通过导线连接，插入甲醇溶液中，构建电催化氧化甲醇燃料电池。
实施例1甲醇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100mmol/L的甲醇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CuO-NiNPs/ITO电极在100mmol/L的甲醇的催化效果。从图中可以看出CuO-NiNPs/ITO电极对甲醇催化活性很好。表明CuO-NiNPs/ITO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/ITO电极对不同扫速的相同浓度的甲醇的循环伏安响应
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-0.2～1.2V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、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CuO-NiNPs/ITO电极催化甲醇是扩散控制。
实施例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-0.2～1.2V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/ITO电极为工作电极，利用循环伏安法，在-0.2～1.2V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CuO-NiNPs/ITO电极和NiNPs/ITO电极在1mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的100mmol/L甲醇溶液中的催化效果。通过对比伏安曲线可以看出，CuO-NiNPs/ITO电极的催化效果远大于NiNPs/ITO电极，因此，CuO-NiNPs/ITO电极对甲醇的催化活性很好。表明CuO-NiNPs/ITO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.CuO-NiNPs/ITO电极构建甲醇燃料电池的方法，其特征在于，以CuO-NiNPs/ITO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甲醇溶液和支持电解质中，将构建的CuO-NiNPs/ITO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；所述支持电解质为1mol/LKOH，pH为14。
2.一种CuO-NiNPs/ITO电极的制备方法，其特征在于，该电极用于构建权利要求1所述甲醇燃料电池，所述CuO-NiNPs/ITO电极包括：氧化铟锡导电玻璃为基底和导电层，该导电层为纳米镍-氧化铜颗粒的电化学沉积层，所述纳米镍-氧化铜颗粒沉积在ITO上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电极制备具体步骤如下：
(1)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硫酸镍和0.1M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，制备纳米结构的Ni/ITO玻璃；
(2)采用三电极体系，以纳米结构的Ni/ITO玻璃浸入0.02M硫酸铜和0.5M硫酸的混合物中，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。
4.权利要求1所述电极在生物燃料电池领域上的应用。
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