一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法技术

一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法，本发明专利技术涉及三维H2O2电还原催化电极的制备方法，它为了解决现有DPPFC催化电极易脱落，稳定性较差以及功率较低的问题。电极的合成方法：一、裁剪碳基体，然后浸入强酸溶液中进行表面氧化；二、氧化后的碳基体先浸入聚电解质的高分子溶液中，金属盐和表面活性剂溶解在超纯水中，然后再将碳基体浸入该混合液中进行修饰；三、植物的叶片或果皮剪碎、洗涤，提取植物提取液，修饰过的碳基体浸入到提取液中，得到该三维H2O2电还原催化电极。本发明专利技术将贵金属及其合金催化剂直接负载在集流体上，原位制备出具有高活性和高稳定性的直接过氧化氢燃料电池催化阴极。

【技术实现步骤摘要】
一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法
本专利技术涉及一种三维H2O2电还原催化电极的制备方法，具体涉及利用植物提取液原位合成高稳定性催化电极的方法。
技术介绍
直接过氧化氢燃料电池(DPPFC)是一种既以过氧化氢为燃料又为氧化剂的新型燃料电池。由于过氧化氢的电氧化和电还原反应的产物仅为水和氧气，所以DPPFC是真正“绿色和零碳排放”发电装置。最近的研究表明(Hydrogenperoxideassustainablefuel:electrocatalystsforproductionwithasolarcellanddecompositionwithafuelcell,Chem.Commun.46(2010)7334-7336.)，利用钴卟啉为催化剂，使用太阳能电池可以高效的将空气中的O2在酸性介质中还原为H2O2，效率可达100％。因此，利用太阳能制备H2O2，利用H2O2燃料电池发电，可实现真正的零碳排放。此外，如DPPFC作为水下和空间电源，输出电能的同时，提供O2，一举两得。直接过氧化氢燃料电池有单室和双室两种结构。单室DPPFC阳极和阴极之间无隔膜，利用阳极催化剂选择性的催化H2O2电氧化和阴极催化剂选择性的催化H2O2电还原来发电，电解液可以是酸也可以是碱。双室DPPFC与传统燃料电池结构相同，阳极和阴极用固体电解质膜隔开，阳极电解液为碱，阴极电解液为酸，利用H2O2在碱中的催化电氧化和在酸中的催化电还原反应来产生电能。单室DPPFC结构简单，但开路电压和输出功率低。研究表明(AmembranelesshydrogenperoxidefuelcellusingPrussianBlueascathodematerial,EnergyEnviron.Sci.5(2012)8225-8228.)，采用碳纸负载的普鲁士蓝为阴极，镍为阳极，与含有0.5mol/LH2O2的0.1MHCl溶液构成了单室DPPFC，其开路电压可达0.6V，最大功率密度可提升至1.55mW/cm2，这是目前报道的单室DPPFC的最高性能。双室DPPFC开路电压和输出功率均明显高于单室DPPFC。其中以碳载镍为阳极，碳载Pt为阴极，Nafion膜为电解质，具有传统燃料电池MEA结构的双室DPPFC，开路电压达0.9V，最大功率密度3.75mW/cm2(ResponsetoDisselkamp:Directperoxide/peroxidefuelcellasanoveltypefuelcell,Inter.J.HydrogenEnergy36(2011)869-875.)。与其他液体基燃料电池相比，DPPFC的电池性能还是明显偏低的。所以，制备高性能、低成本的催化电极是提高电池性能的关键。直接过氧化氢的阴极反应为发生在固液两相界面上的多分子反应，同时伴随气体的生成(H2O2分解反应)。因此，要求电极兼具有大的催化面积和良好的气液传质性能，并在强酸环境中稳定。传统燃料电池电极的制备，通常是先制备粉末催化剂，然后与导电碳(碳黑、碳纳米管等)和粘结剂混合构成悬浮液，再涂覆于集流体(碳布、碳纸等)上。为了提高催化剂的活性，通常要将催化剂粉末制备成纳米尺寸，这些纳米粒子具有较大的比表面积和较高的表面能，由于奥斯瓦尔德效应，容易聚集形成较大的颗粒，进而团聚、脱落。所以，传统方法制备的电极不适合用于直接过氧化氢燃料电池电极。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有DPPFC催化电极易脱落，稳定性较差以及功率较低的问题，而提供一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法。本专利技术利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法按以下步骤实现：一、对碳基体进行裁剪，然后浸入强酸溶液中进行表面氧化，得到氧化后的碳基体；二、将氧化后的碳基体置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入聚电解质的高分子溶液中4～10小时，取出用蒸馏水反复冲洗，然后将金属盐和表面活性剂充分溶解在超纯水中，得到混合液，再将碳基体置于混合液中得到修饰过的碳基体；三、将天然植物的叶片或果皮剪碎、洗涤，经提取处理后得到植物提取液，然后把步骤二得到的修饰过的碳基体浸入到提取液中4～10小时，得到高稳定性三维H2O2电还原催化电极；其中步骤三所述的天然植物为芦荟、桉树叶、烟草或香蕉皮；所述的聚电解质的高分子溶液为聚乙烯亚胺的水溶液、聚乙酸胺的水溶液、己二胺的水溶液或邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯的水溶液。本专利技术所述的利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法采用具有三维结构的碳布、碳纸或碳毡等为基体，将贵金属及其合金催化剂直接负载在集流体上，原位制备出具有高活性和高稳定性的直接过氧化氢燃料电池催化阴极。由于大多数植物汁液廉价易得，低毒，采用其为还原剂和稳定剂，一定程度上实现了绿色合成的理念。并且利用静电自组装原理，原位制备催化剂纳米粒子，有效地提高了电极的稳定性。此外，由于制备方法简单，可操作性强，且原料来源广泛，可广泛地应用于直接过氧化氢燃料电池阴极的制备。附图说明图1为实施例一至实施例四得到的三维H2O2电还原催化电极对过氧化氢电还原的循环伏安扫描曲线图，1—Au-Pd/CFC，2—Pd-Ag/CP，3—Pd-Pt/CP，4—Au-Pd/CF；图2是以实施例一得到的Au-Pd/CFC为阴极，Ni/Ni-foam为阳极，组成的DPPFC的电池性能图。图3是以实施例一得到的Au-Pd/CFC为阴极，Ni/Ni-foam为阳极，组成的DPPFC的电池稳定性能曲线图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法按以下步骤实现：一、对碳基体进行裁剪，然后浸入强酸溶液中进行表面氧化，得到氧化后的碳基体；二、将氧化后的碳基体置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入聚电解质的高分子溶液中4～10小时，取出用蒸馏水反复冲洗，然后将金属盐和表面活性剂充分溶解在超纯水中，得到混合液，再将碳基体置于混合液中得到修饰过的碳基体；三、将天然植物的叶片或果皮剪碎、洗涤，经提取处理后得到植物提取液，然后把步骤二得到的修饰过的碳基体浸入到提取液中4～10小时，得到高稳定性三维H2O2电还原催化电极；其中步骤三所述的天然植物为芦荟、桉树叶、烟草或香蕉皮；所述的聚电解质的高分子溶液为聚乙烯亚胺、聚乙酸胺、己二胺(H+)或邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯的水溶液。本实施方式天然植物的提取过程主要是提取植物中的还原性多糖。本实施方式以具有三维开放结构的碳布、碳纸和碳毡等为基体，利用聚电解质高分子修饰碳基体表面，并利用静电自组装与Pt、Pd、Au、Ag等金属离子结合，以天然植物提取液为还原剂和稳定剂，原位还原制备具有高稳定性高活性的催化剂粒子。该制备方法区别于传统燃料电池电极的制备，催化剂粒子直接负载在集流体上，原位制备出无粘结剂高稳定的催化电极，避免强氧化性酸对粘结剂等的不良影响，且电极兼具有大的催化面积和良好的气液传质性能，有效地增大了电极的比表面积。此外，由于制备方法简单，可操作性强，且原料来源广泛。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一所述的碳基体为碳布、碳纸或碳毡。其它步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法，其特征在于是按下列步骤实现：一、对碳基体进行裁剪，然后浸入强酸溶液中进行表面氧化，得到氧化后的碳基体；二、将氧化后的碳基体置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入聚电解质的高分子溶液中4～10小时，取出用蒸馏水反复冲洗，然后将金属盐和表面活性剂充分溶解在超纯水中，得到混合液，再将碳基体置于混合液中得到修饰过的碳基体；三、将天然植物的叶片或果皮剪碎、洗涤，经提取处理后得到植物提取液，然后把步骤二得到的修饰过的碳基体浸入到提取液中4～10小时，得到高稳定性三维H2O2电还原催化电极；其中步骤三所述的天然植物为芦荟、桉树叶、烟草或香蕉皮；所述的聚电解质的高分子溶液为聚乙烯亚胺的水溶液、聚乙酸胺的水溶液、己二胺的水溶液或邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯的水溶液。

【技术特征摘要】
1.一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法，其特征在于是按下列步骤实现：一、对碳基体进行裁剪，然后浸入强酸溶液中进行表面氧化，得到氧化后的碳基体；二、将氧化后的碳基体置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入聚电解质的高分子溶液中4～10小时，取出用蒸馏水反复冲洗，然后将金属盐和表面活性剂充分溶解在超纯水中，得到混合液，再将碳基体置于混合液中得到修饰过的碳基体；三、将天然植物的叶片或果皮剪碎、洗涤，经提取处理后得到植物提取液，然后把步骤二得到的修饰过的碳基体浸入到提取液中4～10小时，得到高稳定性三维H2O2电还原催化电极；其中步骤三所述的天然植物为芦荟、桉树叶、烟草或香蕉皮；所述的聚电解质的高分子溶液为聚乙烯亚胺的水溶液或邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯的水溶液；步骤二所述的金属盐为Pt的氯盐、Pt的硝酸盐、Pd的氯盐、Pd的硝酸盐、Au的氯盐、Ag的硝酸盐中的一种或多种的混合物。2.根据权利要求1所述的一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法，其特征在于步骤一所述的碳基体为碳布、碳纸或碳毡。3.根据权利要求1所述的一种利用植物提取液原位合成高稳定性三维H2O2电还原催化电极的方法，其特征在于步骤一所述的强酸溶液为质量浓度为98％的H2SO4、质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，杨帆，赵璐璐，张伟，江群，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23