CN113130917B - 一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法 - Google Patents

一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，提供了一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法。本发明以一种三维花状金镍铂修饰的纳米复合电极作阳极，以铂电极作阴极并以乙醇为电解质溶液组合构建成为该乙醇燃料电池。采用乙醇作燃料具有理论能量密度高、毒性小、成本低廉，来源广泛等优势，采用Au‑Ni‑Pt多金属纳米电极作阳极具有低贵金属铂负载量，低成本，高催化活性的优势，可广泛应用于汽车动力、便携电源等中小型电源，有广阔市场前景。

Description

一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法。
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、幵采难度增大等能源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，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，则要提高现有能源的利用效率。提高效率，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。而燃料电池作为一种能量转化装置，可将燃料的化学能直接转化为电能。因其不受卡诺效率的限制，故具有更高的能效，可以达到对资源有效利用的目的。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供了一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法。
本发明的发明构思是：将构建的Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵阳极与阴极通过导线连接，***乙醇溶液中，自发反应氧化乙醇，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。
一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法，包括以下步骤进行：
(1)采用碳纳米管海绵为基底，将其裁剪为合适的大小；
(2)采用电化学方法在改性的碳纳米管海绵电极上进行花状纳米金沉积：
以碳纳米管海绵为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，采用时间-电流法，设置电压为-0.2V，沉积400s-1600s，浓度0.1mol/L的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，得到Au/碳纳米管海绵电极；
(3)利用时间-电流法制备出具有多级纳米结构Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵电极，再将其作为燃料电池阳极备用：
以Au/碳纳米管海绵电极为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，以金、镍、铂的混合液为电解质溶液，设置电压-0.2V，沉积400s～1600s
(4)采用铂电极构成燃料电池阴极；
(5)将制备的阳极与阴极通过导线连接，***乙醇溶液中，构建电催化氧化乙醇燃料电池。
进一步的，所述步骤(5)中，在阳极池中加入浓度0.1mol/L的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.1mol/L的乙醇作为燃料，在阴极池中加入浓度为0.1mol/L，pH值为8～14的乙醇溶液，两池之间用阴离子交换膜连接，以此构建形成电催化氧化乙醇燃料电池。
进一步的，所述步骤(1)具体为：电极基底预处理：首先将碳纳米管海绵切为2*2cm，厚度为0.2mm的正方体。
进一步的，所述步骤(3)电解质溶液的配置：将硫酸溶液稀释为0.5mol/L，再将一定量的固体氯金酸钾，硫酸镍，四氯亚铂酸钾溶解于该硫酸溶液中，制得3mg/mL的金、镍、铂的混合溶液，放置一天。
上述方法还包括步骤(6)对乙醇燃料电池性能的测试：
以Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵阳极为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，***浓度为0.1mol/L乙醇溶液中，采用循环伏安法，设置电压范围为0V～1.2V，扫速为50mV/s。
本发明中采用乙醇作为燃料的作用和优势在于：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，不仅能通过石油、天然气、煤等化石燃料合成，也可通过生物质的发酵制备。而乙醇较于其他醇类，从结构上看，它是链醇中最简单的有机小分子，同时，它能够通过农作物发酵大量生产，也可以从生物质中制得，来源广泛，是可再生能源，又无毒。因此，乙醇燃料电池的研究具有很大的应用潜力。
本发明采用金镍铂修饰的纳米复合电极具有非密堆积的三维结构，并且在三维结构基础上具有更精细的二级花状纳米结构，多层次的纳米结构使得这种电极表面具有很高的比表面积；同时电极由三种金属组成，纳米金花作为基础骨架，通过沉积非贵重金属镍，最后用铂对镍进行置换，因而具有较低了贵金属铂负载量，降低了电极的成本，提高了纳米铂粒子的催化活性。这种电极在乙醇电化学催化氧化中，有＝高的催化效率和抗毒化的优点。
与现有技术相比，本发明制得一种对乙醇具有高灵敏度的电极，且该电极在乙醇为基液时，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电催化氧化乙醇燃料电池三维结构示意图；
图2Au-Ni-Pt电极催化氧化乙醇的循环伏安图；其中，图中所示曲线为50mV/s的扫描速度下，Au-Ni-Pt纳米复合电极在不同浓度的乙醇(0.1M，0.2M，0.3M，0.4M，0.5M)中的循环伏安图；
图3Au-Ni-Pt修饰电极催化氧化乙醇的循环伏安线性图；
图4实验装置图；其中，图a为测试实物图；图b为电化学工作站；图c为三电极体系实物图；
图5纳米金属沉积曲线；其中，a为400s的曲线，b为800s的曲线，c为1600s的曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。根据本发明设计目的，同类物质的简单替代以及尺寸形状的变化，例如本发明改变电极外观如改为正方形或其它形状，简单改变氯金酸钾、硫酸镍和四氯亚铂酸钾等物质的用量、溶液的值、溶液的浓度或者沉积时间等，简单改变电极的应用等均应属于本发明的范围下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为可从商业途径得到的试剂和材料。
本实施例的Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵电极，通过以下方法制备得到：
(1)利用碳纳米管海绵导电玻璃为基底，首先将碳纳米管海绵切为2*2cm，厚度为0.2mm的正方体。
(2)采用电化学方法在步骤(1)得到碳纳米管海绵电极上进行花状纳米金沉积：以Au/碳纳米管海绵电极为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，以金、镍、铂的混合液为电解质溶液，设置电压-0.2V，沉积400s～1600s。如附图4所示。
在沉积金条件不同时，由于纳米金花的粒径不同，导致最终的多级Au-Ni-pt合金纳米花的形态也发生变化。这是由于沉积金的时间较长，形成的纳米金花较为密集，原子间自组装效应较为明显，相近的较小的聚集体会相互连结；相反当沉积时间较短时，纳米金花间距较为稀疏，因而原子自组装成的聚集体则较为规则分布均匀。当复合电极上的纳米粒子聚集体分布均匀时，电化学性能尤为突出。
实施例1电催化氧化乙醇燃料电池的构建
以Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵电极作阳极，Pt电极作阴极；在阳极池中加入浓度0.1mol/L的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.1mol/L的乙醇作为燃料，在阴极池中加入浓度为0.1mol/L，pH值为8～14的乙醇溶液，两池之间用阴离子交换膜连接，以此构建形成电催化氧化乙醇燃料电池。如附图1所示，将制备的阳极与铂电极通过导线连接，***乙醇溶液中，构建电催化氧化乙醇燃料电池。
实施例2电催化氧化乙醇燃料电池性能测试
对实施例1构建的电催化氧化乙醇燃料电池性能的测试：运用电化学工作站，首先连接电路，改性阳极作为工作电极，电池阴极作为对电极，Ag/AgCl电极作为对比电极。利用循环伏安测试电极对乙醇催化活性，在确定电极的初始稳定电位后，选定一个合适的终止电位和扫描速率，就扫描就得到了电极的循环伏安曲线。在50mV/s的扫描速度下测试Au-Ni-Pt电极在0.1mol/L，0.2mol/L，0.3mol/L，0.4mol/L，0.5mol/L乙醇溶液中的催化效果。如附图2，附图3。从图中可以看出，随着乙醇溶液浓度的不断增大，纳米电极在乙醇溶液中的氧化电流也不断增大，氧化峰也不断升高，呈现出良好的催化乙醇的线性响应。最高可达27mA，Au-Ni-Pt电极对乙醇催化活性很好。表明Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵电极所组成的燃料能将生物能高效转换为电能。
实施例3产物检测
对实施例1构建的电催化氧化乙醇燃料电池在Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵电极上氧化乙醇产物的检测，具体操作步骤如下：实施例1构建的电催化氧化乙醇燃料电池使用乙醇为0.1mol/L，反应两小时得到乙醇氧化的产物。用紫外可见分光光度计检测产物，官能团发生改变即可推断出产物。
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)

1.一种电催化氧化乙醇燃料电池的构建方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)采用碳纳米管海绵为基底，将其裁剪为合适的大小；
(2)采用电化学方法在改性的碳纳米管海绵电极上进行花状纳米金沉积：
以碳纳米管海绵为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，采用时间-电流法，设置电压为-0.2V，沉积400s-1600s，浓度0.1mol/L的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，得到Au/碳纳米管海绵电极；
(3)利用时间-电流法制备出具有多级纳米结构Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵电极，再将其作为燃料电池阳极备用：
以Au/碳纳米管海绵电极为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，以金、镍、铂的混合液为电解质溶液，设置电压-0.2V，沉积400s～1600s；
(4)采用铂电极构成燃料电池阴极；
(5)将制备的阳极与阴极通过导线连接，***乙醇溶液中，构建电催化氧化乙醇燃料电池；所述步骤(5)中，在阳极池中加入浓度0.1mol/L的氢氧化钠溶液作为电解质溶液，加入浓度为0.1mol/L的乙醇作为燃料，在阴极池中加入浓度为0.1mol/L，pH值为8～14的乙醇溶液，两池之间用阴离子交换膜连接，以此构建形成电催化氧化乙醇燃料电池。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征是，所述步骤(1)具体为：电极基底预处理：首先将碳纳米管海绵切为2*2cm，厚度为0.2mm的正方体。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征是，所述步骤(3)电解质溶液的配置：将硫酸溶液稀释为0.5mol/L，再将一定量的固体氯金酸钾，硫酸镍，四氯亚铂酸钾溶解于该硫酸溶液中，制得3mg/mL的金、镍、铂的混合溶液，放置一天。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征是，还包括步骤(6)对乙醇燃料电池性能的测试：
以Au-Ni-Pt/碳纳米管海绵阳极为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，***浓度为0.1mol/L乙醇溶液中，采用循环伏安法，设置电压范围为0V～1.2V，扫速为50mV/s。
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