一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極，包括泡沫鎳層1，在所述泡沫鎳層上設置有帶有電子傳遞體的負載層2。本實用新型可使生物質堿性燃料電池的產電性能大幅提高，適用于大規模生產；相比較傳統的貴金屬催化劑提高電澉性能的方法，制備本實用新型生產成本低，電池性能高。
【專利說明】
一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極
技術領域
[0001]本實用新型屬于燃料電池技術領域，具體地是涉及一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極。
【背景技術】
[0002]生物質堿性燃料電池，是一種在堿性環境中能將儲存在生物質燃料和氧化劑中的化學能通過陽極和陰極的氧化還原反應直接轉化為電能的裝置。它具有能量轉換效率高、環境污染小、可長時間連續供電、適用范圍廣等諸多優點，日益成為能源研究領域的熱點，受到了許多研究者的青睞。
[0003]陽極催化劑作為生物質堿性燃料電池的核心組件，對提高電池性能和穩定性具有十分重要的作用。隨著堿性燃料電池的發展，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.)使用了廉價的陰離子交換膜阻止氧氣通過陰極到達陽極與之發生反應來提高電池性能；Cindy X.Zhao等人(Chen JY,Zhao CX,Zhi MM,Wang Kff1Deng LL,Xu G.Electrochim Acta 2012；66:133-138.)使用不會發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.)將銀負載與泡沫鎳上制成陽極;但每種催化劑都有其自身的缺點。首先，常見的貴金屬如金、鉑等作催化劑雖然催化性能好，性質也較為穩定，但其價格昂貴，不能用于大規模的產業化生產，另外研究表明這些貴金屬及其容易被反應過程的中間產物包裹喪失催化位點，而使催化活性降低甚至失去催化活性，這也就是平時所說的催化劑中毒現象。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格方面問題。而對于近些年來備受關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，但其制作工藝較復雜。目前急于探索出一種可用于堿性環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堿性燃料電池以提高其性能將顯得非常有必要。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極。
[0005]本實用新型的技術方案概述如下:
[0006]—種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極，包括泡沫鎳層I，其特征是在所述泡沫鎳層上設置有帶有電子傳遞體的負載層2。
[0007]優選的，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]所述負載層的形狀為圓形，所述負載層的直徑為2_3cm。
[0009]所述負載層的厚度為2?4mm。
[0010]本實用新型的優點:
[0011]1.本實用新型可使生物質堿性燃料電池的產電性能大幅提高，適用于大規模生產；
[0012]2.相比較傳統的貴金屬催化劑提高電澉性能的方法，制備本實用新型生產成本低，電池性能尚。
【附圖說明】
[0013]圖1是不同陽極所對應的生物質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應的功率密度曲線。
[0015]圖3為本實用新型一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0017]—種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極(見圖3)，包括泡沫鎳層I，在所述泡沫鎳層上設置有帶有電子傳遞體的負載層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]所述負載層的形狀為圓形，所述負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]所述負載層的厚度為3mm，還可以選用厚度為2mm，或4mm。
[0021]負載層可以選用帶有電子傳遞體的材料制成，例如，用實施例1的方法制成。
[0022]實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]聚四氟乙烯乳液產品介紹中指出:聚四氟乙烯固體含量在60%(wt)左右。
[0024]實施例1
[0025]—種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極，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水溶液調節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，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，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，在輥壓機上輥壓成3mm薄層(負載層)，得到帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極。
[0033]實施例2
[0034]不同陽極所對應的堿性燃料電池的功率密度曲線
[0035]圖1所示為實施例1制備的七種不同陽極所對應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照組。為避免誤差，每種陽極均平行測量了 3次，添加了誤差線，使數據更加準確可靠。所用電池為雙室葡萄糖燃料電池，陽極分別為實施例1制備的電極，陰極為空氣擴散電極，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，AQ-蒽醌，MV-甲基紫精，Bare-空白對照組)
[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。可以看出，與不添加任何電子傳遞體的空白對照組相比，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-亞甲基藍不穩定)。
[0037]實施例3
[0038]不同陽極所對應的堿性燃料電池的功率密度曲線
[0039]從實施例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的質量比，還是按照實施例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量比分別為1: 1、1: 2、I; 3所對應的電池功率密度曲線，圖2b為GNPs-CNTs與濃度為30mM2-羥基-1，4萘醌水溶液質量比分別為1:1,1:2,1: 3所對應的電池功率密度曲線。為避免誤差，每種陽極均平行測量了 3次，添加了誤差線，使數據更加準確可靠。所用電池和實施例2相同。從圖2的測試結果可以看出，GNPs-CNTs與濃度為30mM甲基紫精水溶液質量比分別為1: 1、1: 2、I ; 3所對應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萘醌水溶液質量比分別為1: 1、1:2α； 3所對應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，對生態環境也有很大的危害性，因此不進行保護。
[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，在化學結構上，它是一個獨特的小分子，不含離子基團，根據持久性化學品的國際公約定義，屬于土壤中易降解有機物。
【主權項】
1.一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極，包括泡沫鎳層(I)，其特征是在所述泡沫鎳層上設置有帶有電子傳遞體的負載層(2)。2.根據權利要求1所述的一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極，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.根據權利要求1所述的一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極，其特征是所述負載層的形狀為圓形，所述負載層的直徑為2-3cm。4.根據權利要求1或3所述的一種帶有電子傳遞體的生物質堿性燃料電池陽極，其特征是所述負載層的厚度為2?4mm。
【文檔編號】H01M4/86GK205543061SQ201620319345
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】劉憲華, 李子, 劉鵬
【申請人】天津大學