CN113130950B - 一种应用CuO/泡沫镍电极电催化氧化麦芽糖溶液构建麦芽糖燃料电池的方法 - Google Patents

一种应用CuO/泡沫镍电极电催化氧化麦芽糖溶液构建麦芽糖燃料电池的方法 Download PDF

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Abstract

一种应用CuO/泡沫镍电极电催化氧化麦芽糖溶液构建麦芽糖燃料电池的方法。以CuO/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麦芽糖溶液和支持电解质中，设置初始电位为‑0.2V，终止电位为1.2V，记录扫描速度范围为20～100mV/S的10mm麦芽糖的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化麦芽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

一种应用CuO/泡沫镍电极电催化氧化麦芽糖溶液构建麦芽糖 燃料电池的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种基于泡沫镍/氧化铜复合电极(CuO/泡沫镍电极)在麦芽糖溶液电催化氧化构建麦芽糖燃料电池的应用。
背景技术
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糖类燃料电池的研究。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。
本发明以泡沫镍为基底，并在基底上利用电化学沉积法沉积纳米氧化铜颗粒，制备出CuO/泡沫镍电极。以CuO/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以氢氧化钾溶液为电解质的麦芽糖溶液为燃料组合构建成为该燃料电池。将构建的CuO/泡沫镍阳极与阴极通过导线连接，插入的麦芽糖溶液中，自发反应氧化麦芽糖，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。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
以CuO/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麦芽糖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10mmol/L麦芽糖的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化麦芽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/LKOH，pH为14。
进一步地，所述CuO/泡沫镍电极包括：泡沫镍为基底和导电层，纳米氧化铜颗粒为电化学沉积层，所述纳米氧化铜颗粒沉积在泡沫镍基底上。优选的，所述纳米氧化铜颗粒尺寸在5-10nm之间。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，若纳米粒子太大，孔径大，燃料数量多于催化剂内部活性位点的数量，不利于反应进一步进行，也不利于产物扩散出来，使电流降低，也就使功率降低，电池性能就非常差。
本发明开发的非酶燃料电池阳极，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。在燃料电池中，糖类燃料电池以廉价易得的糖类为燃料，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，作为燃料的糖类来源广泛、廉价易得。而麦芽糖来源广泛，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，糖类燃料电池的研究具有很大的应用潜力。
本发明利用泡沫镍良好的导电性，制得一种对麦芽糖具有高灵敏度的电极，且该电极在麦芽糖为基液时，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为基于泡沫镍氧化铜复合电极表面形貌图。
图2为麦芽糖溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图。其中，a为麦芽糖溶液，b为空白溶液。
图3为不同扫速麦芽糖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为不同扫速的麦芽糖的标准曲线。
图5为CuO/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CuO/泡沫镍电极的制备方法为：
取一块待用的泡沫镍，切割出尺寸为10*20mm规格备用。将泡沫镍，去离子水冲洗，氮气吹干。
CuO/泡沫镍电极制备具体步骤如下：
采用三电极体系，用清洗后的泡沫镍作为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝电极为对电极浸入0.02M硫酸铜和0.5M硫酸的混合液中。利用恒电流法，设置参数，初始电流；0.35A，沉积时间：800S。沉积完后放置一天，得到CuO/泡沫镍电极。
基于CuO/泡沫镍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麦芽糖溶液与空白溶液循环伏安曲线对比
(1)构建三电极体系
以CuO/泡沫镍电极作阳极，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以氢氧化钾溶液为电解质的麦芽糖溶液为燃料组合构建成为该燃料电池，该电极中泡沫镍与氧化铜的质量比为100:1。
(2)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10mmol/L的麦芽糖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，记录麦芽糖的循环伏安曲线。如附图2所示：100mV/s的扫描速度下测试CuO-Ni电极在10mmol/L的麦芽糖的催化效果。从图中可以看出CuO-Ni电极对麦芽糖催化活性很好。表明CuO-Ni电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
实施例2CuO/泡沫镍电极对不同扫速的相同浓度的麦芽糖的循环伏安响应
依次将三电极体系置于含有1mol/L，pH为14的KOH溶液作为支持电解质的10mm麦芽糖待测液中，在同浓度测试不同扫速的麦芽糖溶液，扫描速率分别为20m V/s、40m V/s、60m V/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麦芽糖的循环伏安曲线。如附图3、附图4所示：从图中可以看出，随着扫速不断增大，纳米电极在麦芽糖溶液中的氧化电流也不断增大，氧化峰也不断升高，呈现出良好的催化麦芽糖的线性响应，由此可以证明CuO-Ni电极催化麦芽糖是扩散控制。
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麦芽糖待测液中,利用时间电流法，在0.6V的电位下,记录麦芽糖的时间电流曲线。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麦芽糖分子。之后，新麦芽糖分子的吸附取决于通过麦芽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6％。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 (1)

1.一种应用CuO/泡沫镍电极电催化氧化麦芽糖溶液构建麦芽糖燃料电池的方法，其特征在于，
（1）燃料电池构建：以CuO/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麦芽糖溶液和支持电解质中，将该三电极系统置于以氢氧化钾溶液为电解质的麦芽糖溶液为燃料组合构建成为该燃料电池，所述支持电解质为1mol/LKOH，pH为14；
所述CuO/泡沫镍电极包括：泡沫镍为基底和导电层，纳米氧化铜颗粒为电化学沉积层，所述纳米氧化铜颗粒沉积在泡沫镍上；所述纳米氧化铜颗粒尺寸在5-10nm之间；CuO/泡沫镍电极制备具体步骤如下：
采用三电极体系，用清洗后的泡沫镍作为工作电极，Ag/AgCl 为参比电极，铂丝电极为对电极浸入0.02M硫酸铜和0.5M硫酸的混合液中，利用恒电流法，设置参数，初始电流：0.35A，沉积时间：800S，沉积完后放置一天，得到CuO/泡沫镍电极；
（2）燃料电池测试：
设置初始电位为-0.2 V，终止电位为1.2 V，记录扫描速度范围为 20～100 mV/S的10mmol/L麦芽糖的循环伏安曲线，并利用标准曲线法对电极电催化氧化麦芽糖溶液的控制过程进行分析。
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