一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極，包括泡沫鎳層1，在所述泡沫鎳層上設(shè)置有帶有電子傳遞體的負(fù)載層2。本實(shí)用新型可使生物質(zhì)堿性燃料電池的產(chǎn)電性能大幅提高，適用于大規(guī)模生產(chǎn)；相比較傳統(tǒng)的貴金屬催化劑提高電澉性能的方法，制備本實(shí)用新型生產(chǎn)成本低，電池性能高。
【專利說明】
一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體地是涉及一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極。
【背景技術(shù)】
[0002]生物質(zhì)堿性燃料電池，是一種在堿性環(huán)境中能將儲(chǔ)存在生物質(zhì)燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境污染小、可長時(shí)間連續(xù)供電、適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，日益成為能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，受到了許多研究者的青睞。
[0003]陽極催化劑作為生物質(zhì)堿性燃料電池的核心組件，對(duì)提高電池性能和穩(wěn)定性具有十分重要的作用。隨著堿性燃料電池的發(fā)展，其用于陽極的催化劑也得到了極大地提高，如Pinchas Schechner等人(Schechner P,Kroll E,Bubis E,Chervinsky S,Zussman E.JElectrochem Soc 2007; 154:B942_B948.)米用銀紡錘纖維作陽極；L.An等人(An L1ZhaoTS,Shen SY,ffu QX,Chen R.J Power Sources 2011; 196:186-190.)使用了廉價(jià)的陰離子交換膜阻止氧氣通過陰極到達(dá)陽極與之發(fā)生反應(yīng)來提高電池性能；Cindy X.Zhao等人(Chen JY,Zhao CX,Zhi MM,Wang Kff1Deng LL,Xu G.Electrochim Acta 2012；66:133-138.)使用不會(huì)發(fā)生催化劑中毒的泡沫鎳做陰陽極使電池性能提高了6倍;Debika Basu等人(Basu D1Basu S.Electrochim Acta 2010;55:5775-5779.)將鉑、銣、活性炭經(jīng)超聲震蕩和水浴加熱后制成陽極;Jinyao Chen等人(Chen JY,Zhao CX,Zhi MM,Wang KW,Deng LL,Xu G.Electrochim Acta 2012;66:133-138.)將銀負(fù)載與泡沫鎳上制成陽極;但每種催化劑都有其自身的缺點(diǎn)。首先，常見的貴金屬如金、鉑等作催化劑雖然催化性能好，性質(zhì)也較為穩(wěn)定，但其價(jià)格昂貴，不能用于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，另外研究表明這些貴金屬及其容易被反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物包裹喪失催化位點(diǎn)，而使催化活性降低甚至失去催化活性，這也就是平時(shí)所說的催化劑中毒現(xiàn)象。雖然目前的研究表明鈀、釕等貴金屬可避免催化劑中毒問題，提高了電池性能但仍然存在價(jià)格方面問題。而對(duì)于近些年來備受關(guān)注的基于納米材料的電催化劑鎳、氧化鎳、氫氧化鎳和其它金屬添加劑的納米材料，如碳納米管、石墨烯和Ti/Ti02等材料被用于制作陽極催化劑來提高電池性能非常有效，但其制作工藝較復(fù)雜。目前急于探索出一種可用于堿性環(huán)境中的非貴金屬催化劑。因此，研究一種新的電子傳遞體將其固定在陽極上用于催化生物質(zhì)堿性燃料電池以提高其性能將顯得非常有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案概述如下:
[0006]—種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極，包括泡沫鎳層I，其特征是在所述泡沫鎳層上設(shè)置有帶有電子傳遞體的負(fù)載層2。
[0007]優(yōu)選的，所述泡沫鎳層的形狀為圓形，所述泡沫鎳層的直徑為2_3cm。
[0008]所述負(fù)載層的形狀為圓形，所述負(fù)載層的直徑為2_3cm。
[0009]所述負(fù)載層的厚度為2?4mm。
[0010]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):
[0011]1.本實(shí)用新型可使生物質(zhì)堿性燃料電池的產(chǎn)電性能大幅提高，適用于大規(guī)模生產(chǎn)；
[0012]2.相比較傳統(tǒng)的貴金屬催化劑提高電澉性能的方法，制備本實(shí)用新型生產(chǎn)成本低，電池性能尚。
【附圖說明】
[0013]圖1是不同陽極所對(duì)應(yīng)的生物質(zhì)堿性燃料電池的功率密度曲線圖。
[0014]圖2是兩種性能較好的電子傳遞體溶液不同濃度比所對(duì)應(yīng)的功率密度曲線。
[0015]圖3為本實(shí)用新型一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0017]—種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極(見圖3)，包括泡沫鎳層I，在所述泡沫鎳層上設(shè)置有帶有電子傳遞體的負(fù)載層2。
[0018]所述泡沫鎳層的形狀為圓形，所述泡沫鎳層的直徑為2cm，還可以選用3cm。
[0019]所述負(fù)載層的形狀為圓形，所述負(fù)載層的直徑要與泡沫鎳層的直徑相同，也選用直徑為2cm，還可以選用3cm。
[0020]所述負(fù)載層的厚度為3mm，還可以選用厚度為2mm，或4mm。
[0021]負(fù)載層可以選用帶有電子傳遞體的材料制成，例如，用實(shí)施例1的方法制成。
[0022]實(shí)施例中石墨烯片簡稱GNPs，碳納米管簡稱CNTs，混合載體簡稱GNPs-CNTs ；
[0023]聚四氟乙烯乳液產(chǎn)品介紹中指出:聚四氟乙烯固體含量在60%(wt)左右。
[0024]實(shí)施例1
[0025]—種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極，用下述方法制成:
[0026](I)精確稱取0.2g GNPs和0.8g CNTs置于燒杯中，加入蒸餾水，使蒸餾水沒過GNPs和CNTs，超聲分散30min，抽濾，于烘箱中110 °C干燥Ih，得到混合載體GNPs-CNTs ；
[0027](2)將GNPs-CNTs和濃度為30mM電子傳遞體水溶液按照質(zhì)量比1:1置于燒杯中混合，加入乙二醇，乙二醇為電子傳遞體水溶液體積的2倍，超聲分散15min，用NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH至8.5，再次超聲分散15min，然后置于700W微波爐中加熱60s后靜置1min ；抽濾并用蒸餾水洗滌，干燥，得電子傳遞體負(fù)載在GNPs-CNTs上的催化劑；
[0028]電子傳遞體分別為:
[0029]中性紅，2-輕基-1，4萘醌，I，5-二氯蒽醌，亞甲基藍(lán)，蒽醌，甲基紫精，
[0030]簡寫為:NR-中性紅，NQ-2-羥基_1，4萘醌，DA-1，5-二氯蒽醌，MB-亞甲基藍(lán)，AQ-蒽醌，
[0031 ] MV-甲基紫精，Bare-不添加任何電子傳遞體，用相同體積的水代替；
[0032](3)將步驟(2)獲得的催化劑置于燒杯中，加入無水乙醇，使無水乙醇沒過所述催化劑，超聲分散30min，加入聚四氟乙烯乳液，所述GNPs和CNTs之和與聚四氟乙烯乳液的質(zhì)量比為1:0.5，超聲分散30min;升溫至75°C攪拌，得到粘稠物;裁剪一個(gè)直徑為2cm的圓形泡沫鎳(泡沫鎳層)，將粘稠物平鋪按壓到泡沫鎳表面，在輥壓機(jī)上輥壓成3mm薄層(負(fù)載層)，得到帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極。
[0033]實(shí)施例2
[0034]不同陽極所對(duì)應(yīng)的堿性燃料電池的功率密度曲線
[0035]圖1所示為實(shí)施例1制備的七種不同陽極所對(duì)應(yīng)的電池的功率密度曲線。其中Bare曲線為不添加任何電子傳遞體的空白對(duì)照組。為避免誤差，每種陽極均平行測(cè)量了 3次，添加了誤差線，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。所用電池為雙室葡萄糖燃料電池，陽極分別為實(shí)施例1制備的電極，陰極為空氣擴(kuò)散電極，電池中葡萄糖濃度均為1M，K0H濃度均為3M。圖1中NR-中性紅，NQ-2-羥基-1，4萘醌，DA-1，5-二氯蒽醌，MB-亞甲基藍(lán)，AQ-蒽醌，MV-甲基紫精，Bare-空白對(duì)照組)
[0036]功率密度依次為7.39ff/m2、9.95ff/m2、7.07ff/m2、9.37ff/m2、6.70ff/m2、10.05W/m2和4.56W/m2?？梢钥闯?，與不添加任何電子傳遞體的空白對(duì)照組相比，添加了電子傳遞體的陽極可大幅度提高電池性能，其中性能較好的是添加了2-羥基-1，4萘醌和甲基紫精的陽極，其功率密度分別為9.95W/m2和10.05ff/m2。(MB-亞甲基藍(lán)不穩(wěn)定)。
[0037]實(shí)施例3
[0038]不同陽極所對(duì)應(yīng)的堿性燃料電池的功率密度曲線
[0039]從實(shí)施例2得出兩種性能較好的電子傳遞體:2-羥基-1，4萘醌和甲基紫精，改變它們與GNPs-CNTs的質(zhì)量比，還是按照實(shí)施例1的方法制備陽極。圖2a為GNPs-CNTs與濃度為30mM的甲基紫精水溶液質(zhì)量比分別為1: 1、1: 2、I; 3所對(duì)應(yīng)的電池功率密度曲線，圖2b為GNPs-CNTs與濃度為30mM2-羥基-1，4萘醌水溶液質(zhì)量比分別為1:1,1:2,1: 3所對(duì)應(yīng)的電池功率密度曲線。為避免誤差，每種陽極均平行測(cè)量了 3次，添加了誤差線，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。所用電池和實(shí)施例2相同。從圖2的測(cè)試結(jié)果可以看出，GNPs-CNTs與濃度為30mM甲基紫精水溶液質(zhì)量比分別為1: 1、1: 2、I ; 3所對(duì)應(yīng)的電池最大功率密度分別為10.05W/m2、17.95W/V和18.01W/V;GNPs-CNTs與濃度為30mM2-羥基-1，4萘醌水溶液質(zhì)量比分別為1: 1、1:2α； 3所對(duì)應(yīng)的電池最大功率密度分別9.95W/m2、16.lOW/W^M^eW/m2。
[0040]甲基紫精研究表明，紫精類化合物具有毒性，對(duì)生態(tài)環(huán)境也有很大的危害性，因此不進(jìn)行保護(hù)。
[0041]2-羥基-1，4萘醌是一種古老的天然染料，可以從植物中提取，在化學(xué)結(jié)構(gòu)上，它是一個(gè)獨(dú)特的小分子，不含離子基團(tuán)，根據(jù)持久性化學(xué)品的國際公約定義，屬于土壤中易降解有機(jī)物。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極，包括泡沫鎳層(I)，其特征是在所述泡沫鎳層上設(shè)置有帶有電子傳遞體的負(fù)載層(2)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極，其特征是所述泡沫鎳層的形狀為圓形，所述泡沫鎳層的直徑為2-3cm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極，其特征是所述負(fù)載層的形狀為圓形，所述負(fù)載層的直徑為2-3cm。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種帶有電子傳遞體的生物質(zhì)堿性燃料電池陽極，其特征是所述負(fù)載層的厚度為2?4mm。
【文檔編號(hào)】H01M4/86GK205543061SQ201620319345
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】劉憲華, 李子, 劉鵬
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)