r>[0031]下面先對本發(fā)明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0032]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的直接氧化葡萄糖生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述直接氧化葡萄糖生物燃料電池包括陽極室1、陰極室2、分隔陽極室1與陰極室2的隔膜5以及連接陽極室1中的陽極3和陰極室2中的陰極4的外電路6。其中，陽極室1中的燃料為葡萄糖，陰極室2中的燃料為氧氣。根據(jù)本發(fā)明，陽極3和陰極4均為負(fù)載有納米銀粒子的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)電極。
[0033]具體地，本發(fā)明采用負(fù)載有納米銀粒子的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)電極作為陽極催化電極和陰極催化電極，分別催化陽極室中的葡萄糖失去電子和陰極室中的氧氣獲得電子，電子從陽極3經(jīng)外電路6回到陰極4構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)燃料的化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。其中，在連接成回路時(shí)，還可以在外電路6中連接負(fù)載7來測試其功率輸出。本發(fā)明采用具有高比表面積和體積比的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)來進(jìn)行高催化活性材料銀的負(fù)載，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更好的催化效果并獲得較大的輸出功率，而且還有利于降低燃料電池的成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)為多孔鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)，并且鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)的孔隙率為60?90%以上且孔徑尺寸為150?250 μ m。
[0034]其中，本發(fā)明所使用的隔膜優(yōu)選為PEEK基陰離子交換膜（Fuma%p? FAB)，PEEK基陰離子交換膜的優(yōu)點(diǎn)是力學(xué)強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好且成本低，該陰離子交換膜可以直接購買獲得，本發(fā)明不對其具體性能進(jìn)行過多限制。
[0035]優(yōu)選地，陽極室1上還設(shè)置有陽極室進(jìn)料管8和陽極室出料管9以進(jìn)行陽極室1中陽極電解液和燃料的加入和反應(yīng)后產(chǎn)物的排出，陰極室2上同樣地也設(shè)置有陰極室進(jìn)料管10和陰極室出料管11以進(jìn)行陰極室2中陰極電解液和燃料的加入和反應(yīng)后產(chǎn)物的排出。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，陽極室1中使用的陽極電解液采用氮?dú)怙柡颓覞舛葹?· 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH緩沖液，其中含有葡萄糖且葡萄糖濃度為0· 1?5mol/L〇陰極室2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。其中，陽極電解液通入的飽和氮?dú)馐菫榱伺懦枠O室中的空氣，阻止空氣中的〇)2和Κ0Η或NaOH反應(yīng)。
[0037]下面對本發(fā)明直接氧化葡萄糖生物燃料電池的制備方法進(jìn)行具體說明。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述直接氧化葡萄糖生物燃料電池的制備方法包括以下各步驟。
[0039]步驟A :制備電極
[0040]首先，采用酸液將清洗后的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)進(jìn)行刻蝕處理并沖洗，再將鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)置入硝酸銀溶液中進(jìn)行浸泡處理，制得負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)電極，將所述負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)電極清洗后存儲(chǔ)在Κ0Η或NaOH溶液中備用。
[0041]優(yōu)選地先利用丙酮對鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)進(jìn)行超聲波清洗，以盡可能地去除鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)上的污垢；再利用酸液對鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)進(jìn)行刻蝕處理以在鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)上形成較大的附著表面積，利于納米銀粒子的負(fù)載。其中，所述酸液可以為鹽酸溶液且鹽酸溶液的濃度為5?10mol/L，刻蝕處理的時(shí)間優(yōu)選為15?30min〇
[0042]鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)的孔隙率優(yōu)選為60?90%以上且孔徑尺寸為150?250 μπι。硝酸銀溶液的濃度優(yōu)選為1?5mmol/L，浸泡處理的時(shí)間優(yōu)選為30?60min。以上參數(shù)范圍的選擇更有利于在高比表面積和體積比的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)上有效地實(shí)現(xiàn)高催化活性材料銀的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)更好的催化效果并獲得較大的輸出功率，降低燃料電池的成本并擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
[0043]在組裝生物燃料電池之前，優(yōu)選地將制備得到的負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)電極存儲(chǔ)起來備用，避免活性損失和失效。其中，Κ0Η或NaOH溶液的濃度優(yōu)選為1?5mol/L。
[0044]步驟B :配制電解液
[0045]配制含有葡萄糖的陽極電解液和含有氧氣的陰極電解液。
[0046]燃料具體是在電解液中進(jìn)行電子的獲得和失去，電子轉(zhuǎn)移到電極表面并移動(dòng)形成電流，因此電解液需要保證燃料獲得和失去電子的適宜條件。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的不例性實(shí)施例，陽極電解液米用氮?dú)怙柡颓覞舛葹?. 5?5mol/L的Κ0Η或NaOH緩沖液，其中含有葡萄糖且葡萄糖濃度為0. 1?5mol/L。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 100 ?1000sscm〇
[0048]步驟C :組裝生物燃料電池
[0049]將步驟A中制備和存儲(chǔ)的負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)或銅網(wǎng)電極作為陽極3和陰極4并分別裝入陽極室1和陰極室2中；
[0050]安裝分隔陽極室1與陰極室2的隔膜5 ;
[0051]利用外電路連接陽極3和陰極4 ;
[0052]向陽極室1中加入陽極電解液并向陰極室2中加入陰極電解液，組裝得到生物燃料電池。
[0053]其中，隔膜的主要功能是分隔氧化劑與還原劑并傳導(dǎo)離子。本發(fā)明中選用的隔膜為PEEK基陰離子交換膜（Fumasep? FAB)，并且在使用PEEK基陰離子交換膜之前利用質(zhì)量濃度為3?5%的KCL溶液對其進(jìn)行浸泡處理以除去交換膜中可能存在的雜質(zhì)。
[0054]組裝好生物燃料電池之后，通過持續(xù)地加入燃料等反應(yīng)物并持續(xù)地排出反應(yīng)產(chǎn)物，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)地發(fā)電和電力供應(yīng)。優(yōu)選地，在進(jìn)行正式發(fā)電之前，優(yōu)選地讓電池運(yùn)行一段時(shí)間以獲得穩(wěn)定的開路電壓。
[0055]下面結(jié)合示例對本發(fā)明的直接氧化葡萄糖生物燃料電池及其制備方法作進(jìn)一步說明。
[0056]示例1 :陽極和陰極的制備
[0057]選用多孔金屬鎳網(wǎng)圓片（直徑為5cm)并將該多孔金屬鎳網(wǎng)圓片用丙酮清洗5分鐘，然后采用6mol/L的鹽酸刻蝕處理15分鐘，再用超純水進(jìn)行超聲清洗，最后用氮?dú)鈿饬鞔蹈蓚溆谩?br>[0058]將上述處理后的多孔金屬鎳網(wǎng)放入2mmol/L的硝酸銀溶液中浸泡處理30min，制得負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)電極。在組裝生物燃料電池之前，用超純水清洗該負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)電極，然后存儲(chǔ)在2mol/L的氫氧化鉀溶液中待用。
[0059]其中，多孔金屬鎳網(wǎng)的掃描電鏡照片如圖2A和圖2B所示，負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)電極的掃描電鏡照片如圖2C所示；多孔金屬鎳網(wǎng)和負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)電極的XRD如圖3所示。由圖2A、圖2B和圖2C可以觀察到尺寸大小均一的銀納米粒子均勻地分散在多孔鎳網(wǎng)表面，形成質(zhì)量較佳的負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)電極；由圖3可見，對比鎳網(wǎng)的XRD圖，負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)的XRD圖中出現(xiàn)更加明顯的銀粒子的結(jié)晶衍射峰，表明銀粒子已經(jīng)涂覆在鎳網(wǎng)表面。
[0060]示例 2 :
[0061]采用PEEK陰離子交換膜（Furnas^)? FAB，厚度為100um)作為分隔陽極室和陰極室之間的隔膜。陽極電解液采用氮?dú)怙柡颓覞舛葹?. 5mol/L的K0H緩沖液，其中葡萄糖的濃度為〇. 5mol/L ;陰極電解液則為0. 5mol/L的K0H緩沖液，其中含有飽和氧氣且氧氣的流量為 lOOsscm。
[0062]將示例1中制備得到的負(fù)載納米銀粒子的鎳網(wǎng)電極作為陽極和陰極分別裝入陽極室和陰極室中并用外電路連接陽極和陰極，加入上述陽極電解液和陰極電解液后得到直接氧化葡萄糖生物燃料電池。
[0063]在測試本示例中直接氧化葡萄糖生物燃料電池的輸出功率曲線時(shí)，先讓電池運(yùn)行一段時(shí)間獲得穩(wěn)定的開路電壓后并記錄開路電壓值，然后以不同的外部電阻負(fù)載Ri (10 Q-l〇〇kQ)連接電池的陽極和陰極，并采用數(shù)字萬用表測量電池在不同負(fù)載下的功率輸出。其中，實(shí)驗(yàn)溫度為23°C。
[0064]本示例中直接氧化葡萄糖生物燃料電池的電壓-電流曲線和功率密度-電流曲線見圖4,