CN113036159A - 一种基于pdms的柔性银纳米线掺杂石墨烯/纳米镍铂复合电极在燃料电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

一种基于PDMS的柔性银纳米线掺杂石墨烯/纳米镍铂复合电极在燃料电池中的应用，属于燃料电池领域。本发明制作的复合电极在燃料电池中的应用：以PtNPs/NiNPs/AgNWs/GN/PDMS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***，将该三电极***置于甲醇溶液和支持电解质中，设置电位为‑0.2～1V，记录浓度范围为10～50mmoL/L的甲醇溶液的循环伏安曲线。本发明利用PDMS良好的柔韧性并结合银纳米线掺杂石墨烯良好的导电性，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、结构稳定等优点。

Description

一种基于PDMS的柔性银纳米线掺杂石墨烯/纳米镍铂复合电 极在燃料电池中的应用
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种基于PDMS的柔性银纳米线掺杂石墨烯/纳米镍铂复合电极在燃料电池中的应用。
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。
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。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
针对上述不足本发明提供一种基于PDMS的柔性银纳米线掺杂石墨烯/纳米镍铂复合电极在燃料电池中的应用，该电极构建的燃料电池可提供稳定电流且经济性良好。
本发明解决技术问题采用的复合电极PDMS为基底，银纳米线掺杂石墨烯为导电层，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，纳米镍颗粒沉积在纳米银线上。
本发明制作的复合电极在燃料电池中的应用：以PtNPs/NiNPs/AgNWs/GN/ PDMS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***，将该三电极***置于甲醇溶液和支持电解质中，设置电位为-0.2～ 1V，记录浓度范围为10～50mmoL/L的甲醇溶液的循环伏安曲线。
进一步地，所述支持电解质为0.1mol/LNaOH溶液，pH为13。
原理：以PDMS为基底。是因为PDMS不导电，我们使用了银纳米线掺杂碳纳米管为导电层，银纳米线是一种纳米尺度的线，具有出色的导电性能。而碳纳米管中碳原子的P电子形成大范围的离域π键，共轭效应显著，展现出优异的导电性。因此银纳米线掺杂碳纳米管为导电层解决了PDMS不导电的问题，同时碳纳米管具有三维立体结构，大大增加了PDMS的表面积，从而沉积出大量而稳定的纳米镍粒子，使氧化铜附着在纳米镍上的面积增大，扩大了其对甲醇的接触面积，使其电流增大，从而增大电池输出功率，达到我们所要产生的效益。因此该PDMS可塑电极对甲醇具有高灵敏性，出色的催化性能以及良好的选择性，产生良好的效果。
有益效果：本发明利用PDMS良好的柔韧性并结合银纳米线掺杂石墨烯良好的导电性，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PDMS的纳米镍/纳米铂复合电极表面形貌图。
图2为甲醇溶液与空白溶液循环伏安曲线对比图。
图3为不同浓度甲醇溶液的循环伏安曲线。
图4为不同扫速的甲醇的标准曲线。
图5为PtNPs/NiNPs/AgNWs/GN/PDMS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。
实施例中的RTV615 PDMS A液和RTV615 PDMS B液为大连迈图公司生产。
下述实施例PtNPs/NiNPs/AgNWs/GN/PDMS可塑电极的制备方法为：
采用光刻技术制作PDMS基片。在洁净的硅片表面旋涂光刻胶，遮蔽含有电极图形的掩膜版，最后进行曝光及显影，得到硅片模板。将硅片模板置于一次性培养皿中，浇注PDMS A液和PDMS B液质量比为15:2的PDMS混合溶液；再放入真空干燥器中负压抽净PDMS混合溶液中的气泡，用时90min；取出后放入80℃的恒温烘箱中加热固化1h，并切分成12个电极基片；将做好的电极基片用胶带(购自美国3M公司)处理清除表面附着的灰尘，然后放入紫外臭氧清洗机中清洗15min，得到带有固定形状凹槽的PDMS基片。
PDMS基片表面亲水层修饰。具体步骤如下：(1)配制质量百分数为2％P VA与5％PVP的混合水溶液；(2)将制备好的PDMS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PDMS基片放入100℃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PDMS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5 mg/mL的银纳米线、1mg/mL的石墨烯溶液，将银纳米线掺杂石墨烯溶液均匀地铺展在PDMS基片表面的凹槽内，于室温下放置干燥一天以上，即制备出A gNWs/GN/PDMS可塑电极，然后，以AgNWs/GN/PDMS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1mg/ml硫酸镍和0.5mol/L 硝酸钠的混合电解液中，采用计时电量法沉积，设置电化学工作站电沉积参数：初始电位-1.2V，终点电位-0.75V，阶跃次数5次，脉冲宽度15s，静置时间2s。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/GN/PDM S可塑电极。沉积完后的电极氮气保护，放置三天后备用。
采用三电极体系，以纳米花结构的NiNPs/AgNWs/纸浸入H2SO4(PH＝5)、硫酸钾(0.5M)和KAuCl4(1mg/m L)的混合物中，使用铂电极作为对电极，A g/Ag Cl作为参比电极。利用计时电流法，设置电位为-0.2v，时间为800s。沉积完后放置三天后备用。
基于PtNPs/NiNPs/AgNWs/GN/PDMS可塑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13浓度为0.1mol/L的NaOH溶液中，利用循环伏安法，在-0.2～1V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13的NaOH溶液作为支持电解质的50mmol/L的甲醇待测液中利用循环伏安法，在-0.2～1V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 Pt-Ni电极在50mmol/L的甲醇的催化效果。从图中可以看出tNPs/NiNPs/AgNW s/GN/PDMS可塑电极对甲醇催化活性很好。表明tNPs/NiNPs/AgNWs/GN/PDMS可塑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/GN/PDMS可塑电极对不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0.1mol/L，pH为13的NaOH溶液作为支持电解质的10mM、20mM、30mM、40mM、50mM甲醇待测液中，利用循环伏安法，在 -0.2～1V的电位范围内进行扫描。记录不浓度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，随着浓度不断增大，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PtNPs/NiNPs/AgNWs/GN/PDMS可塑电极催化甲醇是扩散控制。
实施例3电极抗毒化能力的测定
首先，将三电极体系置于pH为13浓度为0.1mol/L的NaOH溶液中,利用时间电流法，在0.6V的电位下,记录甲醇的时间电流曲线。然如附图5所示:在经过1000s的抗毒化之后，电流还保持原始电流的70％，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 (2)

1.一种基于PDMS的柔性银纳米线掺杂石墨烯/纳米镍铂复合电极在燃料电池中的应用，其特征在于，该应用以PtNPs/NiNPs/AgNWs/GN/PDMS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***，将该三电极***置于甲醇溶液和支持电解质中，设置电位为-0.2～1V，记录浓度范围为10～50mmoL/L的甲醇溶液的循环伏安曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS的柔性银纳米线掺杂石墨烯/纳米镍铂复合电极在燃料电池中的应用，其特征在于，所述支持电解质为0.1mol/LNaOH溶液，pH为13。
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