含镍钴氮的糖电池阳极催化剂及制备方法和应用与流程

本发明属于燃料电池催化剂领域，涉及一种含镍钴氮的糖电池阳极催化剂及制备方法和用途。

背景技术：

由于化石燃烧，人口增长，全球工业化和城市化加剧，环境空气污染日益严重，全球平均温度日益增加。天然气，汽油，煤和石油等化石燃料的燃烧是产生二氧化碳的主要来源，最终导致全球变暖。必须开发新的清洁能源，以满足全球能源需求，而不会产生二氧化碳。为了克服这些环境威胁，应该开发环保的可再生能源并发展减少二氧化碳排放的技术。因此，为了满足日益增长的无污染能源的需求，研究人员正在研究无毒和更多可用的燃料，人们对甲醇，乙醇和葡萄糖等生物燃料电池有了更多的追求。其中，葡萄糖、蔗糖等糖类物质是一种可再生的生物燃料，可大量供应，并且很容易从不同农业活动产生的废物生物质中获得。此外，糖类物质具有释放能量的能力。为了在糖中有效地获得储存的能量，直接将化学能转化为电能是可选的。燃料电池是将生物燃料中储存的化学能转化为电能的装置，以糖为底物的燃料电池(糖电池)由于其低排放，高稳定性和高效率等专有特性而备受关注。

文献中已经有对直接碱性燃料电池(dafc)进行了各种各样的工作，并且众所周知，由于在其表面上发生氧化还原反应的快速动力学，因此pt已被大量用作阳极催化剂。然而，铂资源有限，易中毒和基于铂的催化剂的高价格阻碍了其广泛应用。为了克服这个问题，许多研究人员一直在研究非贵金属过渡金属，如(ni，co，fe，cu和zn)。ni和co是丰富且廉价的非贵金属过渡金属，可用于葡萄糖生物传感器、金属空气电池和燃料电池。gao等人使用ni-co复合催化剂催化乙醇氧化，得到峰值功率密度为23.97w/m²。该方法中，ni和co与氢氧化物、氧化物和磷化物配合使用，但该方法制备的催化剂不适合于糖的电化学氧化，为了糖电池的推广应用，需开发一种能高效氧化糖类物质的低成本催化剂。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种含镍钴氮的糖电池阳极催化剂。

本发明的第二个目的是提供一种含镍钴氮的糖电池阳极催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种含镍钴氮的糖电池催化剂在制备糖电池阳极的应用。

本发明的技术方案概述如下：

含镍钴氮的糖电池阳极催化剂的制备方法，包括如下步骤：按比例取720-870mg硝酸钴、720-870mg硝酸镍、660-750mg尿素、6-8ml乙醇和50mg～80mg薄荷粉，混合均匀；搅拌10～12小时；在370℃～420℃下，通入氮气6～8小时，冷却至室温，得到含镍钴氮的糖电池阳极催化剂。

硝酸钴、硝酸镍、尿素、乙醇和薄荷粉的比例优选为：795mg：795mg：705mg：7ml：65mg。

搅拌的时间优选为11小时。

优选地，通入氮气的温度为390℃，通入氮气的时间为7小时。

上述方法制备的含镍钴氮的糖电池阳极催化剂。

上述含镍钴氮的糖电池催化剂在制备糖电池阳极的应用。

本发明的优点：

1.本发明制备方法简单易行。

2.本发明的催化剂可以用于制备廉价、高效、非贵金属的糖电池阳极。

3.通过添加氮含量显著改善金属的电化学性质。

4.含镍钴氮的糖电池阳极催化剂制备的糖电池阳极显示出最大功率密度为30.89w/m²。

5.本发明的含镍钴氮的糖电池催化剂，还可用于任何基于氧化还原反应的电化学装置中。

附图说明

图1是在50ms^-1的扫描速率下具有不同催化剂修饰的糖电池阳极的循环伏安曲线(cv)。

图2是具有不同催化剂修饰的糖电池阳极的线性扫描伏安(lsv)曲线。

图3是具有不同催化剂修饰的糖电池阳极的电化学阻抗谱(eis)曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

薄荷粉来源：(亳州市德永堂生物科技有限公司)，本申请公开薄荷粉的来源是为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明，但并不对本发明作任何限制，与本申请采用的薄荷粉相似的其它企业生产的薄荷粉也可以用于本发明。

bare:(空白)

co3n(氮化钴糖电池阳极)

ni3n(氮化镍糖电池阳极)

ni3n-co3n(氮化镍和氮化钴复合物糖电池阳极)

实施例1

含镍钴氮的糖电池阳极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

取795mg硝酸钴、795mg硝酸镍、705mg尿素、7ml乙醇和65mg薄荷粉，混合均匀；连续搅拌11小时；在390℃下，通入氮气7小时，冷却至室温，得到含镍钴氮的糖电池阳极催化剂。

实施例2

含镍钴氮的糖电池阳极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

取870mg硝酸钴、870mg硝酸镍、750mg尿素、8ml乙醇和80mg薄荷粉，混合均匀；连续搅拌12小时；在420℃下，通入氮气8小时，冷却至室温，得到含镍钴氮的糖电池阳极催化剂。

实施例3

含镍钴氮的糖电池阳极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

取720mg硝酸钴、720mg硝酸镍、660mg尿素(分析纯)、6ml乙醇(分析纯)和50mg薄荷粉，混合均匀；搅拌10小时；在370℃下，通入氮气6小时，冷却至室温，得到含镍钴氮的糖电池阳极催化剂。

实施例4

含镍钴氮的糖电池催化剂在制备糖电池阳极的应用，包括如下步骤：

将25mg实施例1制备的含镍钴氮的糖电池阳极催化剂与500mg活性炭混合，加入20ml的乙醇中，超声处理30分钟，静置15分钟，加入0.25g聚四氟乙烯乳液(质量含量60％)(分析纯)，得到了混合物；混合物经80℃水浴加热干燥，然后使用轧压机在0.2mm厚的镍泡沫上压制，得到了糖电池阳极，即氮化镍和氮化钴复合物糖电池阳极，简称ni3n-co3n。糖电池阳极最大功率密度为30.89w/m²。

实施例5

裸阳极(空白)：用实施例4的方法，在不加入含镍钴氮的糖电池阳极催化剂，其它同实施例4，得到了裸阳极，与前面的糖电池阳极做对比。

实施例6

氮化镍糖电池阳极的制备，包括如下步骤：

取795mg硝酸镍、705mg尿素、7ml乙醇和65mg薄荷粉，混合均匀；连续搅拌11小时；在390℃下，通入氮气7小时，冷却至室温，得到含镍氮的糖电池阳极催化剂。

将25mg含镍氮的糖电池阳极催化剂与500mg活性炭混合，加入20ml的乙醇中，超声处理30分钟，静置15分钟，加入0.25g聚四氟乙烯乳液(质量含量60％)，得到了混合物；混合物经80℃水浴加热干燥，然后使用轧压机在0.2mm厚的镍泡沫上压制，得到了氮化镍糖电池阳极；简称：ni3n；

实施例7

氮化钴糖电池阳极的制备，包括如下步骤：

取795mg硝酸钴、705mg尿素、7ml乙醇和65mg薄荷粉，混合均匀；连续搅拌11小时；在390℃下，通入氮气7小时，冷却至室温，得到含钴氮的糖电池阳极催化剂。

将25mg含钴氮的糖电池阳极催化剂与500mg活性炭混合，加入20ml的乙醇中，超声处理30分钟后，静置15分钟，加入0.25g聚四氟乙烯乳液(质量含量60％)，得到了混合物；混合物经80℃水浴加热干燥，然后使用轧压机在0.2mm厚的镍泡沫上压制，得到了氮化钴糖电池阳极；简称：co3n；

实验例1

具有不同催化剂修饰的糖电池阳极(空白、co3n、ni3n和ni3n-co3n)的循环伏安法(cv)曲线对比

图1是在50ms^-1的扫描速率下具有不同催化剂修饰的糖电池阳极的循环伏安曲线(cv)，

电池溶液中的葡萄糖浓度均为1m，koh浓度均为3m。阴极为cu2o-cu复合材料空气阴极。

结果表明，ni3n-co3n其峰值电流要远远高于ni3n、co3n的峰值电流，说明ni3n和co3n之间存在协同效应。说明了含镍钴氮的糖电池阳极催化剂制备的糖电池阳极对电池性能有很大的提高。

实验例2

具有不同催化剂修饰的糖电池阳极的线性扫描伏安(lsv)曲线对比，见图2.

电池溶液中的葡萄糖浓度均为1m，koh浓度均为3m。阴极为cu2o-cu复合材料空气阴极。

结果表明，四种不同催化剂修饰的糖电池阳极的lsv曲线斜率上升顺序为：

空白<co3n<ni3n<ni3n-co3n；

也从中可以看出峰值电流密度为为28.3ma/cm²，几乎是空白(8.15ma/cm²)的3.5倍；此外，空白和ni3n-co3n的开路电位(ocp)分别从-0.774v降至-0.820v，可以发现ni3n-co3n可以显著提高催化剂的性能，因为它具有优异的电催化活性。并且氮的存在可以通过增加其表面上的电子密度来显著改善金属的电子性质，更加表明了ni3n-co3n在性能上要优于其他材料，具有很好的实用性。

实验例3

具有不同催化剂修饰的糖电池阳极的电化学阻抗谱(eis)对比曲线，见图3。

电池溶液中的葡萄糖浓度均为1m，koh浓度均为3m，阴极为cu2o-cu复合材料空气阴极。

结果表明，ni3n-co3n的阻抗要远远小于ni3n、co3n及空白材料电极的阻抗，说明了含镍钴氮的糖电池阳极催化剂制备的糖电池阳极的导电性能是很好。

实施例2制备的含镍钴氮的糖电池阳极催化剂按照实施例4的方法制备氮化镍和氮化钴复合物糖电池阳极，功率密度为30.89w/m²。

实施例3制备的含镍钴氮的糖电池阳极催化剂按照实施例4的方法制备氮化镍和氮化钴复合物糖电池阳极，功率密度为30.89w/m²。

实验证明，实施例2、实施例3制备的含镍钴氮的糖电池阳极催化剂按照实施例4的方法制备氮化镍和氮化钴复合物糖电池阳极，对电池性能有很大的提高、在性能上优于其他材料，具有很好的实用性以及导电性能是很好。