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直接醇类燃料电池和酶生物燃料电池电极研究

庞海丽  
【摘要】:直接醇类燃料电池(DAFC)以其结构简单、便于携带、低污染、液体醇类燃料能量密度高、储存和运输方便等优点,得到了越来越多的关注。但是,在DAFC发展过程中,电极催化剂活性较低及价格高昂严重阻碍其商业化应用。因此,研究和开发高效低成本的电极催化剂是DAFC的重点研究方向。 酶生物燃料电池(EBFC)是一类直接利用生物酶为电极催化剂,将化学能转换为电能的燃料电池。近来,EBFC以其低成本、电解质无腐蚀性、较好的生物相容性和工作条件温和等优点,引起了世界各国科学家的研究兴趣。然而,目前EBFC存在两个关键性问题:输出功率低和使用寿命短,而这两个问题都与酶催化剂的固定直接相关。所以,创新和优化酶在电极上的固定化方法以及寻求新型的固定化材料是目前EBFC研究的热点。 为了解决上述DAFC和EBFC存在的问题,本论文开展了用于DAFC的新型阳极电催化剂和用于EBFC的新型酶电极的探索研究,并通过经典的电化学测量技术详细考察了各种催化剂和酶电极的电催化活性和稳定性。相应研究工作主要包括以下几个方面: (1)采用化学沉积和在550℃下焙烧的方法制备了Ru掺杂的SnO_2纳米颗粒(Ru-SnO_2),以其为载体成功负载了Pt纳米颗粒并应用于甲醇的电催化氧化。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射谱和X-射线能量散射光谱等方法对所制备的Pt/Ru-SnO_2纳米催化剂的表面形貌、结构及元素组成进行了表征,并用循环伏安法在酸性电解质中研究了Pt/Ru-SnO_2催化剂对甲醇的电催化氧化性能。结果表明,在相同的Pt担载量和其他实验条件下,Pt/Ru-SnO_2催化剂有着比Pt/SnO_2催化剂更好的电催化活性,并且当Ru-SnO_2纳米颗粒中Ru和Sn的原子比为1/75时,Pt/Ru-SnO_2催化剂的催化性能最佳。同时,Pt/Ru-SnO_2催化剂具有很好的循环使用稳定性。 (2)利用化学聚合的方法制备了聚苯胺-氧化锡(PANI-SnO_2)纳米复合物,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪对其进行了表征,并考察了PANI-SnO_2负载Pt纳米粒子电催化剂对甲醇的电催化氧化性能。通过循环伏安法,计时电流法和计时电位法在酸性电解质中研究了Pt/PANI-SnO_2催化剂对甲醇氧化的电催化性能。结果表明,在相同的Pt担载量下,Pt/PANI-SnO_2催化剂具有比Pt/SnO_2催化剂更好的电催化甲醇氧化性能和抗中毒能力。 (3)考虑到ZSM-5分子筛的耐酸性,以(ZSM-5)分子筛-C复合物作为Pt催化剂的载体材料和助催化剂,制备了用于乙醇电催化氧化的Pt/(ZSM-5)-C催化剂。通过扫描电子显微镜和X-射线能量散射光谱对制得的Pt/(ZSM-5)-C催化剂的表面形貌和元素组成进行了表征,并采用循环伏安法在酸性电解质中考察了Pt/(ZSM-5)-C催化剂对乙醇的电催化氧化性能及电极的电化学稳定性。发现在相同的Pt担载量和其他实验条件下,Pt/(ZSM-5)-C催化剂对乙醇的电催化氧化活性要比Pt/C催化剂高。同时,Pt/(ZSM-5)-C催化剂具有很好的长期循环稳定性。 (4)通过在SnO_2的制备过程中加入CNTs,制备了SnO_2-CNTs复合物,以其为载体负载Pt纳米颗粒并用于乙醇的电催化氧化。采用扫描电子扫描和X-射线衍射谱观察了它的表面形貌和结构特征,采用经典的电化学测量技术在酸性电解质中详细研究了Pt/SnO_2-CNTs催化剂对乙醇的电催化氧化性能及电极的稳定性。结果表明,在相同的Pt担载量下,Pt/SnO_2-CNTs催化剂具有比Pt/SnO_2催化剂更好的催化活性和长期循环稳定性。此外,还考察了SnO_2-CNTs复合物中CNTs和SnO_2的质量比对电极催化活性的影响。 (5)利用1-氨基芘(1-AP)通过π-π堆积作用对CNTs表面进行非共价修饰,实现了漆酶(Lac)在CNTs上的固定,考察了该酶电极的电催化氧还原性能。傅里叶变换红外光谱结果表明1-AP已成功修饰到CNTs上。用循环伏安法在含2,2-偶氮-双-(3-乙基苯并噻吡咯啉-6-磺酸盐)(ABTS)的B-R缓冲液(pH 3.0)中研究了Lac-AP-CNTs电极对EBFC阴极O_2还原的电催化性能和电极的稳定性。结果表明,在相同的实验条件下,Lac-AP-CNTs电极具有比Lac-CNTs电极更好的电催化活性和稳定性。此外,考察了AP-CNTs中1-AP和CNTs的质量比、Lac-AP-CNTs催化剂在电极表面的担载量和电解质pH值对Lac-AP-CNTs电极电催化性能的影响。 (6)研究了葡萄糖氧化酶(GOD)和电极介体在CNTs上的共固定及其不同固定化路径对酶电极电催化性能的影响。通过共价键合法采用不同路径将GOD和氨基二茂铁(Fc)共固定到1-AP和1-芘羰醛(1-PA)非共价修饰后的CNTs上。用循环伏安法在含葡萄糖的PBS缓冲液(pH 7.0)中研究了不同类型的GOD-Fc/CNTs电极对EBFC阳极葡萄糖氧化的电催化性能。结果表明,GOD和Fc在电极上的不同固定化路径会对电极的电催化性能产生影响,并且当Fc、GOD分别通过1-PA、1-AP/戊二醛共固定在CNTs上时,电极对葡萄糖的电催化氧化性能最佳。


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