CN113130913A - PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极及其在构建果糖燃料电池上的应用 - Google Patents

PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极及其在构建果糖燃料电池上的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极及其在构建果糖燃料电池上的应用。以PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET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葡萄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2mmol/L、4mmol/L、6mmol/L、8mmol/L、10mmol/L果糖的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化葡萄糖溶液的控制过程进行分析。本发明目的在于提供一种贵金属修饰电极对葡萄糖具有良好的催化氧化作用，提高化学能的转换率，促进燃料电池的发展。

Description

PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极及其在构建果糖燃料电池 上的应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种基于PET的纳米镍/纳米铂复合电极PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极，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
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
为弥补现有技术的不足，本发明以泡沫镍为基底，利用电化学沉积法沉积纳米铜铂颗粒，制备出纳米镍铜铂电极。在此基础上为果糖燃料电池的构建提供一种新的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极包括：PET为基底，银纳米线为导电层，纳米镍铂颗粒为电化学沉积层，所述纳米铂颗粒沉积在纳米镍颗粒上，纳米镍颗粒沉积在银纳米线上。
所述可塑电极的制备方法为：
(1)PET基片表面亲水层修饰
(1.1)配制质量百分数为4％PVA与7％PVP的混合水溶液；
(1.2)将制备好的PET基片浸泡于PVA和PVP混合溶液中20min，再放入60℃的真空烘箱中干燥2h；
(1.3)重复步骤(1.2)一次；
(1.4)将PET基片放入50℃的真空烘箱中热固定20min；
(1.5)重复步骤(1.2)、(1.4)一次，得到表面亲水层修饰的PET基片；
(2)PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极电极制备
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修饰后的PET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/PET可塑电极；然后，以AgNWs/PET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，浸入0.1M硫酸镍和0.5mol/LNa2SO4的混合电解液中，于-0.2V电位条件下，利用电化学工作站在其表面进行纳米镍颗粒的沉积得到NiNPs/AgNWs/PET，取下电极，用超纯水冲洗电极，氮气吹干，立刻放在0.02moL/L的氯铂酸钾溶液5min，5min后取出电极，用超纯水冲洗电极，氮气吹干，室温下放置干燥一天，得到PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极。
本发明同时请求保护上述PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极在构建果糖燃料电池上的应用。
构建果糖燃料电池的方法具体为：
以PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET电极作阳极，Pt电极作阴极；在阳极池中加入浓度1mol/L的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.01mol/L的果糖作为燃料。在阴极池加以pH＝14的氢氧化钠作溶剂的0.01mol/L的果糖溶液并且通入氧气，两池之间用阴离子交换膜连接，以此构建形成电催化氧化果糖燃料电池。
具体应用方法为：以PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET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果糖溶液和支持电解质中，设置电位为-0.2～1.3V，记录2mmol/～10mmol/L果糖的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化果糖溶液的控制过程进行分析。
进一步地，所述支持电解质为1mol/LNaOH，pH为14。
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。本发明利用银纳米良好的导电性，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PET的纳米镍/纳米铂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为不同浓度果糖溶液的循环伏安曲线。
图4为不同浓度的果糖的标准曲线。
图5为PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极抗毒化曲线。
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PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极的制备方法为：
将PET用去离子水超声清洗30分钟，取出、去离子水冲洗，氮气吹干。依次用丙酮、乙醇超声清洗30分钟，重复上述步骤。
PET基片表面亲水层修饰。具体步骤如下：(1)配制质量百分数为4％PVA与7％PVP的混合水溶液；(2)将制备好的PET基片浸泡于PVA和PVP混合溶液中20min，再放入60℃的真空烘箱中干燥2h；(3)重复步骤(2)一次；(4)将PET基片放入50℃的真空烘箱中热固定20min；(5)重复步骤(2)、(4)一次，得到表面亲水层修饰的PET基片。
电极制备。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PET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/PET可塑电极，然后，以AgNWs/PET为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助电极，浸入硫酸镍(0.1M)和0.5mol/L Na2SO4的混合电解液中，于-0.2V电位条件下，利用电化学工作站在其表面进行纳米镍颗粒的沉积得到NiNPs/AgNWs/PET，取下电极，用超纯水冲洗电极，氮气吹干。立刻放在0.02moL/L的氯铂酸钾溶液5min。5min后取出电极，用超纯水冲洗电极，氮气吹干。室温下放置干燥一天。
所述的PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极中，NiNPs粒径100-150nm之间，PdNPs粒径10-20nm之间，如果PdNPs尺寸比NiNPs大，那么钯纳米粒子就把镍覆盖住了，无法起到协同催化的作用，同时一旦钯纳米粒子孔径过大，燃料进去非常多，不利于反应进一步进行。也不利于产物扩散出来，如果钯纳米粒子太小，孔径就小。燃料难于扩散到催化剂活性位点上进行活化，使电流降低，也就使功率降低，电池性能就差。
基于PET/纳米镍铂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果糖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NaOH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NaOH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-0.2～1.3V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PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET电极在10mmol/L的果糖的催化效果。从图中可以看出PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET电极对果糖催化活性很好。表明PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
实施例2PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极对不同浓度的果糖的循环伏安响应
依次将三电极体系置于含有1mol/L，pH为14的NaOH溶液作为支持电解质的不同浓度的果糖待测液中，利用循环伏安法，在-0.2～1.3V的电位范围内进行扫描。记录2mmol/L、4mmol/L、6mmol/L、8mmol/L、10mmol/L果糖的循环伏安曲线。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PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET电极催化果糖是扩散控制。从图中可以看出，随着浓度不断增大，纳米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.果糖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，果糖的氧化峰电流与浓度的线性回归方程为I＝09476C+4.9353，相关系数为0.9769。
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果糖待测液中，利用时间电流法，在0.60V的电位下，记录果糖的时间电流曲线。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13.4％。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 (4)

1.PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极，其特征在于，以PET为基底，银纳米线为导电层，纳米镍铂颗粒为电化学沉积层，所述纳米铂颗粒沉积在纳米镍颗粒上，纳米镍颗粒沉积在银纳米线上；所述可塑电极的制备方法为：
(1)PET基片表面亲水层修饰
(1.1)配制质量百分数为4％PVA与7％PVP的混合水溶液；
(1.2)将制备好的PET基片浸泡于PVA和PVP混合溶液中20min，再放入60℃的真空烘箱中干燥2h；
(1.3)重复步骤(1.2)一次；
(1.4)将PET基片放入50℃的真空烘箱中热固定20min；
(1.5)重复步骤(1.2)、(1.4)一次，得到表面亲水层修饰的PET基片；
(2)电极制备
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修饰后的PET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/PET可塑电极；然后，以AgNWs/PET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，浸入0.1M硫酸镍和0.5mol/LNa2SO4的混合电解液中，于-0.2V电位条件下，利用电化学工作站在其表面进行纳米镍颗粒的沉积得到NiNPs/AgNWs/PET，取下电极，用超纯水冲洗电极，氮气吹干，立刻放在0.02moL/L的氯铂酸钾溶液5min，5min后取出电极，用超纯水冲洗电极，氮气吹干，室温下放置干燥一天，得到PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极。
2.权利要求1所述的PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET可塑电极在构建果糖燃料电池上的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，以PtNPs/NiNPs/AgNWs/PET电极作阳极，Pt电极作阴极；在阳极池中加入浓度1mol/L的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.01mol/L的果糖作为燃料，在阴极池加以pH＝14的氢氧化钠作溶剂的0.01mol/L的果糖溶液并且通入氧气，两池之间用阴离子交换膜连接，以此构建形成电催化氧化果糖燃料电池。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述支持电解质为1mol/LNaOH，pH为14。
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