一種直接氧化葡萄糖生物燃料電池及其制備方法
【技術領域】
[〇〇〇1] 本發明涉及生物燃料電池的技術領域，更具體地講，涉及一種直接氧化葡萄糖生物燃料電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著未來世界能源的持續緊缺和環境危機的日益嚴重，開發對環境不構成污染的新型可再生能源來替代石油、煤等現今主要燃料顯得越來越重要。從環境中獲取能量驅動電子設備，一直以來都是全人類的夢想，葡萄糖生物燃料電池作為新型可再生能源中的一種，能在微生物或酶的催化下，直接轉化為電能，能量轉化效率高；可在偏遠、低溫環境下有效運行，環境適應性強；產電過程綠色環保，至多只產生C02，且0)2的釋放量低于其他能源形式的平均水平。由于葡萄糖生物燃料電池的特殊優勢，使其在替代能源、廢水處理等方面具有巨大應用前景，遂成為當今一大研究熱點。
[0003]但在越來越多的學者參與到該研究領域的同時，葡萄糖生物燃料電池本身發展也面臨著瓶頸，其瓶頸主要表現在兩個方面：大部分葡萄糖生物燃料電池輸出功率仍然較低且不穩定；大部分系統需要添加電子傳遞中間體才能提高產電能力，但是電子傳遞中間體價格昂貴且有毒，不適應發展需求。此外，采用微生物或酶作為催化劑，雖然來源廣泛，成本低廉，但它們的活性有限，運行時間較短，例如酶在醋酸緩沖液中的生存時間僅僅為8小時到2天。中國專利申請CN102569861A公開了一種酶生物燃料電池，采用酚類質子交換膜，并以石墨烯-納米金復合物負載漆酶和葡萄糖氧化酶分別作為陰陽兩極的催化劑，雖然在一定程度上提高了電池的運行周期，但其輸出功率仍然較低。酶生物燃料電池代表一種新興的能源方式，但其仍存在許多問題需要解決，如低的開路電壓、低的輸出功率以及短時間的運行穩定性。
[0004]近來，采用堿性媒介和金屬催化劑的葡萄糖生物燃料電池因其較佳的性能而逐漸引起了人們的關注，因此開發利用堿性媒介和金屬催化劑代替酶或微生物作為葡萄糖生物燃料電池的催化劑并且性能更佳的葡萄糖生物燃料電池具有重要的意義。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種利用堿性媒介和金屬催化劑代替酶或微生物作為葡萄糖生物燃料電池的催化劑并且性能穩定且輸出功率較大的葡萄糖生物燃料電池。
[〇〇〇6] 本發明的一方面提供了一種直接氧化葡萄糖生物燃料電池，所述生物燃料電池包括陽極室、陰極室、分隔陽極室與陰極室的隔膜以及連接所述陽極室中的陽極和陰極室中的陰極的外電路，所述陽極室中的燃料為葡萄糖，所述陰極室中的燃料為氧氣，所述陽極和陰極均為負載有納米銀粒子的鎳網或銅網電極。
[0007]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的一個實施例，所述隔膜為PEEK基陰離子交換膜。
[0008]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的一個實施例，所述陽極室中的陽極電解液采用氮氣飽和且濃度為〇. 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH緩沖液，其中含有葡萄糖且葡萄糖濃度為〇. 1?5mol/L。
[0009]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的一個實施例，所述陰極室中的陰極電解液采用濃度為〇. 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH緩沖液，其中含有飽和氧氣且氧氣的通入流量 50 ?lOOOsscm。
[0010]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的一個實施例，所述鎳網或銅網的孔隙率為60?90 %且孔徑尺寸為150?250 μ m。
[0011]本發明的另一方面提供了一種直接氧化葡萄糖生物燃料電池的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：
[0012]A、制備電極：采用酸液將清洗后的鎳網或銅網進行刻蝕處理并沖洗，再將鎳網或銅網置入硝酸銀溶液中進行浸泡處理，制得負載納米銀粒子的鎳網或銅網電極，將所述負載納米銀粒子的鎳網或銅網電極清洗后存儲在Κ0Η或NaOH溶液中備用；
[0013] B、配制電解液：配制含有葡萄糖的陽極電解液和含有氧氣的陰極電解液；
[0014]C、組裝生物燃料電池：將所述負載納米銀粒子的鎳網或銅網電極作為陽極和陰極并分別裝入陽極室和陰極室中；安裝分隔陽極室與陰極室的隔膜；利用外電路連接所述陽極和陰極；向陽極室中加入陽極電解液并向陰極室中加入陰極電解液，組裝得到生物燃料電池。
[0015]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的制備方法的一個實施例，所述酸液為鹽酸溶液且鹽酸溶液的濃度為5?10mol/L，刻蝕處理的時間為15?30min ;所述Κ0Η或NaOH溶液的濃度為1?5mol/L〇
[0016]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的制備方法的一個實施例，所述鎳網或銅網的孔隙率為80%以上且孔徑尺寸為150?250 μ m ;所述硝酸銀溶液的濃度為1?5mmol/L，浸泡處理的時間為30?60min。
[0017]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的制備方法的一個實施例，所述陽極電解液采用氮氣飽和且濃度為〇. 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH緩沖液，其中含有葡萄糖且葡萄糖濃度為〇· 1?5mol/L ;所述陰極室中的陰極電解液采用濃度為0· 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH緩沖液，其中含有飽和氧氣且氧氣的通入流量為50?lOOOsscm。
[0018]根據本發明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的制備方法的一個實施例，所述隔膜為PEEK基陰離子交換膜，并且在使用所述PEEK基陰離子交換膜之前利用質量濃度為3?5%的KCL溶液對其進行浸泡處理。
[0019]與現有技術相比，本發明的直接氧化葡萄糖生物燃料電池采用負載納米銀粒子的鎳網或銅網電極作為陽極和陰極，從而有效提高了電池的功率密度，獲得的最大輸出功率明顯高于使用酶或微生物作為催化劑的葡萄糖生物燃料電池，并且還保證了生物燃料電池在不同溫度條件、不同負載條件下的穩定性；并且，所述生物燃料電池的制備方法較為簡易，成本不高，便于推廣和應用。
【附圖說明】
[0020]圖1示出了根據本發明示例性實施例的直接氧化葡萄糖生物燃料電池的結構示意圖。
[0021]圖2A和圖2B示出了示例1中多孔金屬鎳網的掃描電鏡照片；圖2C示出了示例1中負載納米銀粒子的鎳網電極的掃描電鏡照片。
[0022]圖3示出了示例1中多孔金屬鎳網和負載納米銀粒子的鎳網電極的XRD圖譜。
[0023]圖4示出了示例2、示例3和示例4中的直接氧化葡萄糖生物燃料電池在陽極電解液中葡萄糖濃度分別為0. Imol/L、0. 5mol/L和0. 9mol/L時的電壓-電流曲線和功率密度-電流曲線。
[0024]圖5示出了示例2、示例3和示例4中的直接氧化葡萄糖生物燃料電池在陽極電解液中葡萄糖濃度分別為0. Imol/L、0. 5mol/L和0. 9mol/L時的開路電壓和電池內阻曲線。
[0025]圖6示出了示例2、示例5和示例6中的直接氧化葡萄糖生物燃料電池在陰極電解液中氧氣流量分別為l〇〇sscm、200sscm和400sscm時的電壓-電流曲線。
[0026]圖7示出了示例2、示例7和示例8中的直接氧化葡萄糖生物燃料電池分別在23°(：、40°(：和60°(：時的電壓-電流曲線。
[0027]附圖標記說明：
[0028]1-陽極室、2-陰極室、3-陽極、4-陰極、5-隔膜、6-外電路、7-負載、8-陽極室進料管、9-陽極室出料管、10-陰極室進料管、11-陰極室出料管。
【具體實施方式】
[0029]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0030]本說明書（包括任何附加權利要求、摘要和附圖）中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。