一种直接氧化葡萄糖生物燃料电池及其制备方法
【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及生物燃料电池的技术领域，更具体地讲，涉及一种直接氧化葡萄糖生物燃料电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着未来世界能源的持续紧缺和环境危机的日益严重，开发对环境不构成污染的新型可再生能源来替代石油、煤等现今主要燃料显得越来越重要。从环境中获取能量驱动电子设备，一直以来都是全人类的梦想，葡萄糖生物燃料电池作为新型可再生能源中的一种，能在微生物或酶的催化下，直接转化为电能，能量转化效率高；可在偏远、低温环境下有效运行，环境适应性强；产电过程绿色环保，至多只产生C02，且0)2的释放量低于其他能源形式的平均水平。由于葡萄糖生物燃料电池的特殊优势，使其在替代能源、废水处理等方面具有巨大应用前景，遂成为当今一大研究热点。
[0003]但在越来越多的学者参与到该研究领域的同时，葡萄糖生物燃料电池本身发展也面临着瓶颈，其瓶颈主要表现在两个方面：大部分葡萄糖生物燃料电池输出功率仍然较低且不稳定；大部分系统需要添加电子传递中间体才能提高产电能力，但是电子传递中间体价格昂贵且有毒，不适应发展需求。此外，采用微生物或酶作为催化剂，虽然来源广泛，成本低廉，但它们的活性有限，运行时间较短，例如酶在醋酸缓冲液中的生存时间仅仅为8小时到2天。中国专利申请CN102569861A公开了一种酶生物燃料电池，采用酚类质子交换膜，并以石墨烯-纳米金复合物负载漆酶和葡萄糖氧化酶分别作为阴阳两极的催化剂，虽然在一定程度上提高了电池的运行周期，但其输出功率仍然较低。酶生物燃料电池代表一种新兴的能源方式，但其仍存在许多问题需要解决，如低的开路电压、低的输出功率以及短时间的运行稳定性。
[0004]近来，采用碱性媒介和金属催化剂的葡萄糖生物燃料电池因其较佳的性能而逐渐引起了人们的关注，因此开发利用碱性媒介和金属催化剂代替酶或微生物作为葡萄糖生物燃料电池的催化剂并且性能更佳的葡萄糖生物燃料电池具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种利用碱性媒介和金属催化剂代替酶或微生物作为葡萄糖生物燃料电池的催化剂并且性能稳定且输出功率较大的葡萄糖生物燃料电池。
[〇〇〇6] 本发明的一方面提供了一种直接氧化葡萄糖生物燃料电池，所述生物燃料电池包括阳极室、阴极室、分隔阳极室与阴极室的隔膜以及连接所述阳极室中的阳极和阴极室中的阴极的外电路，所述阳极室中的燃料为葡萄糖，所述阴极室中的燃料为氧气，所述阳极和阴极均为负载有纳米银粒子的镍网或铜网电极。
[0007]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的一个实施例，所述隔膜为PEEK基阴离子交换膜。
[0008]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的一个实施例，所述阳极室中的阳极电解液采用氮气饱和且浓度为〇. 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH缓冲液，其中含有葡萄糖且葡萄糖浓度为〇. 1?5mol/L。
[0009]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的一个实施例，所述阴极室中的阴极电解液采用浓度为〇. 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH缓冲液，其中含有饱和氧气且氧气的通入流量 50 ?lOOOsscm。
[0010]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的一个实施例，所述镍网或铜网的孔隙率为60?90 %且孔径尺寸为150?250 μ m。
[0011]本发明的另一方面提供了一种直接氧化葡萄糖生物燃料电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0012]A、制备电极：采用酸液将清洗后的镍网或铜网进行刻蚀处理并冲洗，再将镍网或铜网置入硝酸银溶液中进行浸泡处理，制得负载纳米银粒子的镍网或铜网电极，将所述负载纳米银粒子的镍网或铜网电极清洗后存储在Κ0Η或NaOH溶液中备用；
[0013] B、配制电解液：配制含有葡萄糖的阳极电解液和含有氧气的阴极电解液；
[0014]C、组装生物燃料电池：将所述负载纳米银粒子的镍网或铜网电极作为阳极和阴极并分别装入阳极室和阴极室中；安装分隔阳极室与阴极室的隔膜；利用外电路连接所述阳极和阴极；向阳极室中加入阳极电解液并向阴极室中加入阴极电解液，组装得到生物燃料电池。
[0015]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的制备方法的一个实施例，所述酸液为盐酸溶液且盐酸溶液的浓度为5?10mol/L，刻蚀处理的时间为15?30min ;所述Κ0Η或NaOH溶液的浓度为1?5mol/L〇
[0016]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的制备方法的一个实施例，所述镍网或铜网的孔隙率为80%以上且孔径尺寸为150?250 μ m ;所述硝酸银溶液的浓度为1?5mmol/L，浸泡处理的时间为30?60min。
[0017]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的制备方法的一个实施例，所述阳极电解液采用氮气饱和且浓度为〇. 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH缓冲液，其中含有葡萄糖且葡萄糖浓度为〇· 1?5mol/L ;所述阴极室中的阴极电解液采用浓度为0· 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH缓冲液，其中含有饱和氧气且氧气的通入流量为50?lOOOsscm。
[0018]根据本发明直接氧化葡萄糖生物燃料电池的制备方法的一个实施例，所述隔膜为PEEK基阴离子交换膜，并且在使用所述PEEK基阴离子交换膜之前利用质量浓度为3?5%的KCL溶液对其进行浸泡处理。
[0019]与现有技术相比，本发明的直接氧化葡萄糖生物燃料电池采用负载纳米银粒子的镍网或铜网电极作为阳极和阴极，从而有效提高了电池的功率密度，获得的最大输出功率明显高于使用酶或微生物作为催化剂的葡萄糖生物燃料电池，并且还保证了生物燃料电池在不同温度条件、不同负载条件下的稳定性；并且，所述生物燃料电池的制备方法较为简易，成本不高，便于推广和应用。
【附图说明】
[0020]图1示出了根据本发明示例性实施例的直接氧化葡萄糖生物燃料电池的结构示意图。
[0021]图2A和图2B示出了示例1中多孔金属镍网的扫描电镜照片；图2C示出了示例1中负载纳米银粒子的镍网电极的扫描电镜照片。
[0022]图3示出了示例1中多孔金属镍网和负载纳米银粒子的镍网电极的XRD图谱。
[0023]图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电池在阳极电解液中葡萄糖浓度分别为0. Imol/L、0. 5mol/L和0. 9mol/L时的电压-电流曲线和功率密度-电流曲线。
[0024]图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电池在阳极电解液中葡萄糖浓度分别为0. Imol/L、0. 5mol/L和0. 9mol/L时的开路电压和电池内阻曲线。
[0025]图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电池在阴极电解液中氧气流量分别为l〇〇sscm、200sscm和400sscm时的电压-电流曲线。
[0026]图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电池分别在23°(：、40°(：和60°(：时的电压-电流曲线。
[0027]附图标记说明：
[0028]1-阳极室、2-阴极室、3-阳极、4-阴极、5-隔膜、6-外电路、7-负载、8-阳极室进料管、9-阳极室出料管、10-阴极室进料管、11-阴极室出料管。
【具体实施方式】
[0029]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0030]本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。