CN113013429A - 一种PdNPs/NiNPs/碳布电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池阳极技术领域，公开了一种PdNPs/NiNPs/碳布电极及其制备方法。包括：以碳布为基底和导电层，纳米镍‑钯颗粒为电化学沉积层，所述纳米镍‑钯颗粒沉积在碳布上。上述PdNPs/NiNPs/碳布电极的制备方法，包括(1)制备碳布电极、(2)制备NiNPs/碳布电极、(3)制备PdNPs/NiNPs/碳布电极；该电极是一种非酶燃料电池阳极，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PdNPs/NiNPs/碳布电极及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池阳极技术领域，本发明涉及一种PdNPs/NiNPs/碳布电极及其制备方法。
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***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。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。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种PdNPs/NiNPs/碳布电极(基于碳布纳米镍-钯复合电极)及其制备方法，该电极是一种非酶燃料电池阳极，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。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种PdNPs/NiNPs/碳布电极；包括以碳布为基底和导电层，纳米镍-钯颗粒为电化学沉积层，所述纳米镍-钯颗粒沉积在碳布上。
本发明另一个目的是想要保护上述PdNPs/NiNPs/碳布电极的制备方法，具体步骤如下所示：
(1)制备碳布电极：取碳布，剪成10*20mm的长方形，乙醇冲洗，氮气吹干得到碳布电极备用；
(2)制备NiNPs/碳布电极：采用三电极体系，用清洗干净的碳布电极作为工作电极，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；采用阶梯波伏安法沉积，设置参数为：初始电位：-0.35V，终点电位：-0.15V，电位增量：0.01V，扫描段数：25，阶梯宽度：15s；沉积完后的电极氮气保护，放置三天后备用；得到NiNPs/碳布电极；
(3)制备PdNPs/NiNPs/碳布电极：采用三电极体系，以纳米结构的NiNPs/碳布电极作为工作电极，铂电极作为对电极，Ag/Ag Cl作为参比电极；放入盛有0.02M硫酸钯和0.1M硫酸钠溶液的电解池中；利用循环伏安法，在-0.2～1.3V的电位范围沉积钯，沉积完后放置一天后备用；制得PdNPs/NiNPs/碳布电极。
上述一种PdNPs/NiNPs/碳布电极在蔗糖溶液电催化氧化构建蔗糖燃料电池的应用。具体为：以PdNPs/NiNPs/碳布电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极***，将该三电极***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蔗糖燃料电池。
进一步地，所述电解质为0.1-5mol/L KOH，优选为1mol/L KOH，pH为14。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供的阳性电极PdNPs/NiNPs/碳布电极解决了现有的生物酶燃料电池阳极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。本发明提供的阳性电极PdNPs/NiNPs/碳布电极，是一种非酶燃料电池阳极，一种具有较高催化活性和稳定性的燃料电池阳极。
本发明利用碳布良好的导电性，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。
本发明提供的PdNPs/NiNPs/碳布电极在蔗糖溶液电催化氧化构建蔗糖燃料电池，更具体的说是一种基于糖类燃料电池产电储能设备的构建方法。以蔗糖代替传统燃料(例如甲醇)作为直接氧化剂，由此构建的一种“蔗糖燃料电池”及作为燃料电池反应器的应用。本发明与甲醇、乙醇等含碳量少的传统燃料相比，其在氧化还原反应中的能量密度高。且蔗糖在分子结构上具有极大优势——含碳量高，所以在使用相同质量的燃料时，蔗糖的电子密度更高，能量更高。
本发明提供的具体溶液浓度参数，是由于本发明技术方案中提供的所有溶液在限定的浓度沉积的最好，若改变沉积金属浓度，若变稀，则在沉积时，基底附近富集的金属离子少，晶核少，沉淀速度慢，得到的纳米粒子小，孔径小。燃料难于扩散到催化剂活性位点上进行活化，若浓度高，晶核过多，粒子长的又大又快，得到的孔径大，燃料进去非常多催化剂内部就像一间屋子，活性位点就像屋里的板凳，一旦燃料进去多了，就非常拥挤，不利于反应进一步进行。硫酸钠溶液发生改变，溶液导电性就会发生改变，传递电子能力也会改变，金属阳离子沉积的速率就会改变，上述沉积的金属离子速率过快过慢均不好。
附图说明
图1为PdNPs/NiNPs/碳布电极表面形貌图。
图2为蔗糖溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图。
图3为不同浓度蔗糖溶液的循环伏安曲线图。
图4为不同浓度的蔗糖的标准曲线图。
图5为PdNPs/NiNPs/碳布电极抗毒化曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
实施例1
一种PdNPs/NiNPs/碳布电极；包括：以碳布为基底和导电层，纳米镍-钯颗粒为电化学沉积层，所述纳米镍-钯颗粒沉积在碳布上。
上述PdNPs/NiNPs/碳布电极的制备方法，具体步骤如下所示：
(1)制备碳布电极：取碳布，剪成10*20mm的长方形，乙醇冲洗，氮气吹干得到碳布电极备用；
(2)制备NiNPs/碳布电极：采用三电极体系，用清洗干净的碳布电极作为工作电极，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；采用阶梯波伏安法沉积，设置参数为：初始电位：-0.35V，终点电位：-0.15V，电位增量：0.01V，扫描段数：25，阶梯宽度：15s；沉积完后的电极氮气保护，放置三天后备用；得到NiNPs/碳布电极；
(3)制备PdNPs/NiNPs/碳布电极：采用三电极体系，以纳米结构的NiNPs/碳布电极作为工作电极，铂电极作为对电极，Ag/Ag Cl作为参比电极；放入盛有0.02M硫酸钯和0.1M硫酸钠溶液的电解池中；利用循环伏安法，在-0.2～1.3V的电位范围沉积钯，沉积完后放置一天后备用；制得PdNPs/NiNPs/碳布电极。
基于PdNPs/NiNPs/碳布电极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。
实验应用研究案例1
蔗糖溶液燃料电池与空白溶液燃料电池循环伏安曲线对比
三电极体系：以PdNPs/NiNPs/碳布电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极体系，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的蔗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Pd-NiNPs电极在10mmol/L的蔗糖的催化效果。从图2中可以看出Pd-NiNPs电极对蔗糖催化活性很好，电流达到120万微安每摩尔每平方厘米。表明Pd-NiNPs电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
实验应用研究案例2
PdNPs/NiNPs/碳布电极对不同浓度的蔗糖的循环伏安响应
三电极体系：以PdNPs/NiNPs/碳布电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极体系，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蔗糖待测液中，利用循环伏安法，设置电位为-0.2～1.3V，记录浓度为1mmol/L、2mmol/L、4mmol/L、8mmol/L、10mmol/L蔗糖的循环伏安曲线。如附图3和附图4所示：从图3和图4中可以看出，随着浓度不断增大，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。蔗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，蔗糖的氧化峰电流与浓度的线性回归方程为I＝0.0005C+0.006,相关系数为0.956。
实验应用研究案例3
电极抗毒化能力的测定
三电极体系：以PdNPs/NiNPs/碳布电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极组成三电极体系，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蔗糖待测液中,利用时间电流法，在0.65V的电位下,记录蔗糖的时间电流曲线。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蔗糖分子。之后新蔗糖分子的吸附取决于通过蔗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20％。所以电极的抗毒化能力强，结构稳定。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种PdNPs/NiNPs/碳布电极，其特征是，包括以碳布为基底和导电层，纳米镍-钯颗粒为电化学沉积层，所述纳米镍-钯颗粒沉积在碳布上。
2.如权利要求1所述的一种PdNPs/NiNPs/碳布电极的制备方法，其特征是，具体步骤如下所示：
(1)制备碳布电极：取碳布，剪成长方形，乙醇冲洗，氮气吹干得到碳布电极备用；
(2)制备NiNPs/碳布电极：采用三电极体系，用清洗干净的碳布电极作为工作电极，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；采用阶梯波伏安法沉积，设置参数为：初始电位：-0.35V，终点电位：-0.15V，电位增量：0.01V，扫描段数：25，阶梯宽度：15s；沉积完后的电极氮气保护，放置三天后备用；得到NiNPs/碳布电极；
(3)制备PdNPs/NiNPs/碳布电极：采用三电极体系，以纳米结构的NiNPs/碳布电极作为工作电极，铂电极作为对电极，Ag/Ag Cl作为参比电极；放入盛有0.02M硫酸钯和0.1M硫酸钠溶液的电解池中；利用循环伏安法，在-0.2～1.3V的电位范围沉积钯，沉积完后放置一天后备用；制得PdNPs/NiNPs/碳布电极。
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