太陽能燃料電池及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用表面等離激元共振場增強燃料電池正、負極催化反應的太陽能燃料電池及其制備方法。包括設置在框架內的透明工作電極，對電極，密封在透明工作電極和對電極間的電解液和設置在兩極間的Nafion半透膜，通入電解液中的燃料進口和氧氣進口及出口，所述的透明工作電極內側組裝有粒度為5～500nm的金屬納米粒子層。由于工作電極表面具有的等離激元共振性質的金屬納米粒子催化劑，在可見光照射作用下，利用產生的表面等離激元共振場增強效果，有效的提高燃料電池電極催化劑的催化效率，提高電極使用壽命。
【專利說明】太陽能燃料電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用表面等離激元共振場增強燃料電池正、負極催化反應的太陽能燃料電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國乃至世界對能源的需求日益增加以及人類對環境質量的關注，采用環保，高效的能源利用方式，積極開發新能源勢在必行。燃料電池是一種能將外界提供的燃料和氧化劑的化學能直接轉換為電能的發電裝置，具有高效，環境友好的特點。但是燃料電池的電極使用的催化劑多為鉬系材料，具有價格昂貴的缺點。此外，燃料電池電極的中毒現象導致的電極的使用壽命降低(1100小時)以及燃料的利用率較低(50%?70%)也是現有的燃料電池存在的問題。因此如何增加電極催化劑的使用效率，防止電池電極中毒增加使用壽命以及增加其燃料的使用率成為人們研究的熱點。
[0003]納米技術在新科技工業領域的應用，很大程度上能夠提高了催化劑的使用效率。因此將燃料電池的電極設計成納米催化劑修飾的電極可以大大提高催化劑的使用效率。
[0004]表面等離激元共振是金屬表面的等離激元波耦合照射光產生的一種共振現象，金屬類別，尺寸，形貌的變化會影響其產生共振作用的光的波長。在一定條件下，表面等離激元作用可以與其表面的吸附物互相作用，進而影響其表面的反應，使表面反應更加徹底，較少中間產物的產生以及對電極的毒化作用，從而增加電極的使用壽命和提高燃料的使用率。近期已經有人將該技術應用于提高工業乙烯環氧化制備效率。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為克服目前燃料電池存在價格昂貴、電極易毒而導致電極的使用壽命降低，以及燃料的利用率較低的缺陷，提出一種太陽能燃料電池，可實現在可見光下增強燃料電池燃料利用率和提高電極使用壽命。
[0006]本發明太陽能燃料電池，包括設置在聚四氟乙烯框架內的透明工作電極，對電極，密封在透明工作電極和對電極間的電解液和設置在兩極間的Nafion半透膜，通入電解液中的燃料進口和氧氣進口及出口，其特征在于，在所述的透明工作電極內側組裝有粒度為5?500nm的金屬納米粒子層。
[0007]所述的金屬納米粒子層由金、銀、銅、鉬、鈀及合金制備。
[0008]所述的透明工作電極采用ITO導電玻璃制成，所述的對電極采用白金鈦網或Pt片制成。
[0009]所述的電解液為氫氧化鉀溶液或稀硫酸。
[0010]所述的燃料選用氫氣或液態甲醇、乙醇。
[0011]本發明太陽能燃料電池的制備方法，包括以下步驟:
[0012]a.設計合成具有特征吸收波長的不同形貌的金屬納米粒子，配成濃度IOM的溶液；[0013]b.將透明工作電極用丙酮，乙醇，水依次清洗三遍，利用物理吸附原理，將金屬納米粒子溶液滴加組裝到透明電極表面作為工作電極；
[0014]c.以白金鈦網作為對電極，內部電解液為KOH堿性溶液或硫酸溶液；
[0015]d.按照示意圖結構組裝電池，電池的工作電極和對電極距離為I?2.5cm，工作電極和對電極兩側下部各設置有一個玻璃管進氣口，用于通入氧氣和燃料。
[0016]本發明太陽能燃料電池置于可見光光照下工作，工作電壓范圍為-1?IV。
[0017]本發明太陽能燃料電池具有以下優點:
[0018]1、工作電極采用納米催化劑，可以提高催化劑的有效利用率。
[0019]2、合成制備的具有表面等離激元共振性質的金屬納米粒子(金、銀、銅、鉬、鈀等及合金)催化劑，在可見光照射作用下，利用產生的表面等離激元共振場增強效果，有效的提高燃料電池電極催化劑的催化效率，提高電極使用壽命。
[0020]3、可以有效的降低燃料電池電極催化劑的使用成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明太陽能燃料電池的結構示意圖；
[0022]圖2是化學法制備金納米球的透射電子顯微鏡圖；
[0023]圖3是化學法制備金納米八面體的透射電子顯微鏡圖；
[0024]圖4是化學法制備銀納米立方體的透射電子顯微鏡圖；
[0025]圖5是在恒電位下，可見光(523nm單波長)光照對金納米球組裝工作電極催化燃料電池反應產生的相應電流曲線；
[0026]圖6是在恒電位下，可見光(630nm單波長)光照對金納米八面體組裝工作電極催化燃料電池反應產生的相應電流曲線；
[0027]圖7是在恒電位下，可見光(410nm單波長)光照對銀納米立方體組裝工作電極催化燃料電池反應產生的相應電流曲線。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖給出的實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0029]實施例1
[0030]然后按照圖1所示，組裝燃料電池。以白金鈦網(或鉬片)作為對電極9，外部結構采用聚四氟乙烯(或有機玻璃等材料)做結構框架11，上部由密封塞7封住，并由導線I連接兩個電極。
[0031]本實施例中，工作電極上所滴加修飾的金納米球的合成方法是，0.12mM的氯金酸中加入0.1ml的檸檬酸鈉(0.1M)，60°C水浴中加熱2小時，得到直徑13nm的金納米球結構，配置成溶液(10M)。將金納米球滴到微珊銅網上做透射電鏡表征，表征結果如圖2所示。
[0032]本實施例中，將透明電極3(ΙΤ0導電玻璃，長X寬:3X2cm)用丙酮，乙醇，水依次清洗三遍，利用物理吸附原理，取0.5ml的金納米球(13nm)溶液滴加組裝到透明電極3表面作為工作電極。
[0033]本實施例中，電池的工作電極和對電極距離為I?2.5cm，中間采用Nafion膜做選擇性透過膜5,催化劑修飾的工作電極3 —側向內。[0034]本實施例中，電解液10為氫氧化鉀溶液(0.1M)。
[0035]本實施例中，燃料氫氣由進料口 12進入，壓力保持在0.1Pa左右。氧氣由進料口6進入，壓力保持在0.1Pa左右。并設有出料口 2和8來保證氣體壓力。
[0036]本實施例中，工作電壓設定為0.45V，進行燃料電池工作測試。將燃料電池體系置于暗室中，先進行2500s無光照電流測試，待響應電流穩定。選擇可見光光源，對工作電極進行直接照射，并測試響應電流。測試結果如圖5所示。
[0037]實施例2
[0038]本實施例的新型太陽能燃料電池及電極的設計和制備方法與實施例1的區別在于其工作電極上所滴加修飾的是金納米八面體，合成方法是，20ml乙二醇溶液，0.4ml聚二甲基二烯丙基氯化銨溶液，以及0.1ml鹽酸溶液(濃度為1M)，攪拌2分鐘后，加入0.4ml氯金酸(24mM)，195°C下反應30分鐘獲得。將金納米八面體滴到微珊銅網上做透射電鏡表征，表征結果如圖3所示。
[0039]本實施例中，工作電壓設定為0.5V，進行燃料電池工作測試。將燃料電池體系置于暗室中，先進行2000s無光照電流測試，待響應電流穩定。選擇可見光光源，對工作電極進行直接照射，并測試響應電流。測試結果如圖6所示。
[0040]實施例3
[0041]本實施例的新型太陽能燃料電池及電極的設計和制備方法與實施例1的區別在于其工作電極上所滴加修飾的是銀納米立方體，合成方法是，60ml乙二醇溶液在150攝氏度下加熱50分鐘，然后加入0.7ml的硫氫化鈉溶液，15ml PVP (0.18mM)，8分鐘后加入5ml硝酸銀(0.28M)，反應20分鐘后獲得。將銀納米立方體滴到微珊銅網上做透射電鏡表征，表征結果如圖4所示。
[0042]本實施例中，工作電壓設定為0.40V，進行燃料電池工作測試。將燃料電池體系置于暗室中，先進行2000s無光照電流測試，待響應電流穩定。選擇可見光光源，對工作電極進行直接照射，并測試響應電流。測試結果如圖7所示。
[0043]實施例4
[0044]本實施例的新型太陽能燃料電池及電極的設計和制備方法與實施例1的區別在于電解液為0.1M的硫酸溶液。
[0045]本實施例中，燃料甲烷氣體由進料口 6進入，壓力保持在0.1Pa，氧氣由進料口 12進入，壓力保持0.1Pa0
[0046]實施例5
[0047]本實施例的新型太陽能燃料電池及電極的設計和制備方法與實施例1的區別在于燃料乙醇由進料口 6進入，與電解液體積保持1:10的體積比，氧氣由進料口 12進入，壓力保持0.1Pa。
【權利要求】
1.一種太陽能燃料電池，包括設置在聚四氟乙烯框架內的透明工作電極，對電極，密封在透明工作電極和對電極間的電解液和設置在兩極間的Nafion半透膜，通入電解液中的燃料進口和氧氣進口及出口，其特征在于，在所述的透明工作電極內側組裝有粒度為5?500nm的金屬納米粒子層。
2.根據權利要求1所述的太陽能燃料電池，其特征在于，所述的金屬納米粒子層由金、銀、銅、鉬、鈀及合金制備。
3.根據權利要求1所述的太陽能燃料電池，其特征在于，所述的透明工作電極采用ITO導電玻璃制成，所述的對電極采用白金鈦網或Pt片制成。
4.根據權利要求1所述的太陽能燃料電池，其特征在于，所述的電解液為氫氧化鉀溶液或稀硫酸。
5.根據權利要求1所述的太陽能燃料電池，其特征在于，所述的燃料選用氫氣或液態甲醇、乙醇。
6.一種制備權利要求1所述的太陽能燃料電池的方法，其特征在于包括以下步驟: a.設計合成具有特征吸收波長的不同形貌的金屬納米粒子，配成濃度IOM的溶液； b.將透明工作電極用丙酮，乙醇，水依次清洗三遍，利用物理吸附原理，將金屬納米粒子溶液滴加組裝到透明電極表面作為工作電極； c.以白金鈦網作為對電極，內部電解液為KOH堿性溶液或硫酸溶液； d.組裝電池，電池的工作電極和對電極距離為I?2.5cm，工作電極和對電極兩側下部各設置有一個玻璃管進氣口，用于通入氧氣和燃料。
【文檔編號】H01M4/88GK103531822SQ201310395046
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月3日 優先權日:2013年9月3日
【發明者】崔小強, 鄭偉濤, 王其鈺 申請人:吉林大學