一种碳水化合物碱性燃料电池阳极及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种在金属镍网上掺杂并固定化紫精化合物用于制备碱性燃料电池阳极的方法。
【背景技术】
[0002]碳水化合物碱性燃料电池是一种在碱性介质中，将碳水化合物中的化学能直接转换成电能的电化学反应装置，燃料电池是唯一同时兼具无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作的动力装置，因而目前受到世界各国的普遍重视，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。
[0003]阳极催化剂作为碱性燃料电池的核心组件，对提高电池性能和稳定性具有十分重要的作用。选择碱性燃料电池的阳极催化剂，其首要条件是具有较好的催化活性，其次是该材料在碱性介质中有较好的化学稳定性。碱性燃料电池阳极催化剂的发展经历了贵金属催化剂、镍基催化剂、合金和多金属催化剂、氢化物电催化剂和基于纳米材料的电催化剂几个阶段。近年来，针对贵金属催化剂造价高、稳定性低、易与副产物结合导致催化剂中毒等缺点，越来越多的研宄集中于在碱性介质中以金属镍为阳极催化剂来替代贵金属催化齐IU Fleischmann 等人(M.Fleischmann, K.Korinek, and D.Pletcher, J.Electroanal.Chem.，31，39，(1971).)首次研宄了以金属镍为电极的大多数可氧化有机化合物的氧化反应。反应机制是在碱性介质中，金属镲表面会形成Ni (OH) 2/N10H氧化还原电对，而N10H对可氧化有机化合物具有催化活性。类似的机制也被Luo (P.Luo, F.Zhang, andR.P.Baldwin, Anal.Chim.Acta, 244, 169 (1991))等人提出，可以解释碱性介质中以金属镲为电极葡萄糖在阳极的氧化。此外，研宄显示一类称为紫精(1，I’ 一二烷基一 4，4’ 一二吡啶盐)的有机化合物在碱性溶液(PH> 10)中显示出催化性并且可以快速地将电子从碳水化合物传递到金属电极。但是，紫精类化合物具有毒性，对生态环境也有很大的危害性，因此如果将其固定在金属镍阳极上，不仅可以增加局部紫精化合物的浓度提高催化反应效率，也可以实现紫精化合物的重复利用，达到提高燃料电池阳极性能、节省成本、消除生态环境污染的目的。因此，发明一种将紫精化合物固定于阳极的廉价、高效、清洁、规范的燃料电池阳极制备方法方法将显得非常有必要。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:针对上述存在问题，提供一种将紫精化合物固定于金属镍网的廉价、高效、清洁、规范的燃料电池阳极制备方法。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种将紫精化合物与镍网在碱性介质中对碳水化合物的催化作用相结合而制备的阳极，使紫精化合物固定于镍网上，既提高了镍网的催化活性，又消除了紫精化合物对环境的污染。从空气侧至电解液侧依次由金属镍层和多孔碳层两层薄膜组成。
[0006]本发明以碳水化合物为燃料的碱性燃料电池阳极的制备方法，步骤如下:
[0007]I)按多孔碳与甲基紫精溶液的质量比为1:1?3的比例称取多孔碳粉末与甲基紫精溶液，加入无水乙醇，直到无水乙醇将多孔碳粉末与甲基紫精溶液的混合物浸没并高出多孔碳粉末与甲基紫精溶液的混合物I?2cm的高度，然后超声、搅拌25?30分钟，使多孔碳与甲基紫精在无水乙醇中充分混合；
[0008]2)向上述溶液中滴加60%的聚四氟乙烯乳液，使多孔碳与60%的聚四氟乙烯乳液的质量比为1:0.5?0.8，然后继续超声搅拌25?30分钟至充分混匀；
[0009]3)取镍网，将其放入上述混合均匀的溶液中，使镍网被完全浸没，放置25?30分钟后用镊子取出镍网，并使其自然风干，剩余的混合物留待备用；
[0010]4)将上述剩余混合物置于80?100°C水浴锅中进行水浴加热，并不断地进行搅拌，直到混合物可以用玻璃棒挑起、成粘稠的泥状物质；
[0011]5)将上述泥状物质揉捏均匀，在辊压机上滚压成指定2?4mm厚度的多孔碳薄层；
[0012]6)制作好多孔碳薄层后，将其平铺在镍网上，然后在辊压机上将其滚压固定，直到最终厚度为3?5_，即可制得上述碱性燃料电池阳极。
[0013]所述甲基紫精浓度为I?30mM，聚四氟乙烯乳液的重量百分比浓度为60%，多孔碳与甲基紫精溶液的质量比为1:1?3，多孔碳与聚四氟乙烯乳液的质量比为1:0.5?0.8。
[0014]本发明的优点是:该制备工艺利用极性的多孔碳和非极性的聚四氟乙烯所创建的微环境，把甲基紫精固定在镍网上，实现了甲基紫精的重复利用，大大降低了甲基紫精带来的生态环境风险；这种复合电极结构能使镍网与电解质溶液相接触，增加液固两相界面催化活性位；将金属镍、多孔碳与甲基紫精对碳水化合物氧化反应的催化作用结合起来，提高了碳水化合物电池的电化学性能。
【附图说明】
[0015]图1是一种碱性燃料电池阳极制备过程的技术路线图。
[0016]图2是三种不同阳极所对应的碱性燃料电池的功率密度曲线图。
[0017]图3是三种不同阳极所对应的极化曲线。
[0018]图4是同一阳极测试的电池的功率密度曲线变化图。
[0019]图5是多孔碳与甲基紫精溶液不同浓度比所对应的功率密度曲线。
【具体实施方式】
[0020]一种碱性燃料电池阳极的制备方法，由空气侧至电解液侧由金属镍层、多孔碳层薄膜叠加构成。制备方法如图1所示:
[0021]实施例1:一种如上所述碱性燃料电池阳极的制备方法，具体步骤如下:
[0022]I)称取三份2.0g的多孔碳粉末分别放置于三个不同的干净烧杯中，依次标记为I号、2号、和3号。然后向I号烧杯添加30mM的甲基紫精(MV)溶液2.0g,向2号烧杯中添加30mM的甲基紫精(MV)溶液4.0g,向3号烧杯添加30mM的甲基紫精(MV)溶液6.0g，使I号、2号、3号烧杯中多孔碳与甲基紫精溶液的质量比分别为1:1，1:2和1:3 ;
[0023]2)向上述盛放多孔碳与甲基紫精溶液的1、2、3号烧杯中分别加入无水乙醇，直到无水乙醇将孔碳粉末与甲基紫精溶液的混合物浸没并高出孔碳粉末与基紫精溶液的混合物I?2cm的高度，然后超声、搅拌25?30分钟，使多孔碳与甲基紫精在无水乙醇中充分混合；
[0024]3)以上过程结束后，向上述1、2、3号烧杯中分别滴加60%聚四氟乙烯乳液1.0g,使多孔碳与聚四氟乙烯乳液的质量比为1:0.5,25?30分钟至充分混匀；
[0025]4)取备用的镍网，将其分别放入上述混合均匀的1、2、3、号烧杯的溶液中，使镍网被完全浸没，放置25?30分钟后用镊子取出镍网，并使其自然风干，剩余的混合物留待备用；
[0026]5)将上述剩余混合物分别置于80?100°C水浴锅中进行水浴加热，并不断地用玻璃棒进行搅拌，直到混合物可以用玻璃棒挑起、成粘稠的泥状物质；
[0027]6)