一種可見光激發(fā)納米CdS/TiO₂增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光催化燃料電池領(lǐng)域，公開了一種可見光激發(fā)納米CdS/TiO2增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池。本發(fā)明以納米CdS修飾TiO2電極作光陽極，利用CdS/TiO2電極在可見光下增強(qiáng)抗壞血酸促進(jìn)葡萄糖的光催化氧化，實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)非酶催化劑在中性環(huán)境中可見光輻射下對(duì)葡萄糖的光催化氧化，并以其為基礎(chǔ)研制了一種光催化燃料電池，在可見光激發(fā)下該電池最大功率達(dá)35.6μW·cm?2，短路電流為568.2μA·cm?2，光電轉(zhuǎn)化效率為10.3％。該方法具有成本低、利用生物體內(nèi)物質(zhì)作燃料、電池功率大等優(yōu)勢(shì)。
【專利說明】
一種可見光激發(fā)納米CdS/T i O2増強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光催化燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]葡萄糖是動(dòng)植物體內(nèi)重要的碳水化合物，是活細(xì)胞能量來源和新陳代謝中間產(chǎn)物。然而葡萄糖的氧化能力較弱，常需要使用一定的催化劑對(duì)其進(jìn)行催化氧化。目前用于葡萄糖催化氧化的物質(zhì)主要包括酶及非酶催化劑。
[0003]葡萄糖氧化酶催化氧化法具有選擇性高、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，但是酶催化劑容易失活、生產(chǎn)成本高，希望實(shí)現(xiàn)非酶催化劑對(duì)葡萄糖的催化氧化。非酶催化劑主要包括金屬、金屬氧化物和金屬配合物。常用的貴金屬催化劑盡管對(duì)葡萄糖的催化活性高，但其價(jià)格昂貴，易被毒化，因此難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。二氧化鈦(T12)在堿性條件下對(duì)葡萄糖具有較強(qiáng)的催化活性，但其在中性條件下難以實(shí)現(xiàn)葡萄糖的催化氧化，而且由于納米T12的禁帶寬度大，主要吸收紫外光，而紫外光在太陽光中只占3%左右，因此需要拓寬其光吸收的波長區(qū)間，并希望實(shí)現(xiàn)其在中性環(huán)境中可見光輻射下對(duì)葡萄糖的催化氧化。納米硫化鎘(CdS)的禁帶寬度為2.42eV，是一種重要而帶隙適中的半導(dǎo)體材料，其在可見光區(qū)域具有良好的光學(xué)吸收性能，且其導(dǎo)帶能級(jí)比T12的高，有利于產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)的分離，可用于改善T12的光敏性能。另外，抗壞血酸是生物體必需的維生素，對(duì)維持生物體正常生理機(jī)能起著至關(guān)重要的作用，有可能作為促氧化劑促進(jìn)葡萄糖的催化氧化，因此本發(fā)明以納米CdS修飾T12電極作光陽極，利用CdS/Ti02電極在可見光下增強(qiáng)抗壞血酸促進(jìn)葡萄糖的光催化氧化，實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)非酶催化劑在中性環(huán)境中可見光輻射下對(duì)葡萄糖的光催化氧化，并以其為基礎(chǔ)研制了一種高性能的光催化燃料電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，實(shí)現(xiàn)中性環(huán)境中可見光輻射下對(duì)葡萄糖的光催化氧化，本發(fā)明的目的在于提供一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池。該電池以CdS/Ti02電極作光陽極，碳?xì)肿麝帢O，葡萄糖作燃料，抗壞血酸作燃料及葡萄糖氧化介導(dǎo)劑，亞硫酸鈉和硫化鈉作犧牲劑，氯化鈉作電解質(zhì)，三羥甲基氨基甲烷作緩沖劑，氧氣作氧化劑，在可見光輻射下構(gòu)建形成光催化燃料電池。
[0005]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]—種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池，該燃料電池是以納米CdS/Ti02電極作光陽極，以碳?xì)肿麝帢O;持續(xù)通氧以保持在飽和氧氣氛圍下，在陽極池中加入氯化鈉溶液作電解質(zhì)溶液、加入葡萄糖作燃料、加入抗壞血酸作燃料及葡萄糖氧化介導(dǎo)劑、加入亞硫酸鈉和硫化鈉作犧牲劑、加入三羥甲基氨基甲烷作緩沖劑，在陰極池中加入氯化鈉溶液和三羥甲基氨基甲烷，在可見光輻射下構(gòu)建形成光催化燃料電池。
[0007]所述燃料電池在可見光輻射下最大功率達(dá)35.6yW.cm—2，短路電流為568.2μΑ.cm—2，光電轉(zhuǎn)化效率為10.3%。
[0008]所述陽極池和陰極池中均使用三羥甲基氨基甲烷作緩沖劑，使溶液pH維持在5?9。
[0009]所述亞硫酸鈉在電解質(zhì)溶液中的濃度為O?0.2mol/L;所述硫化鈉在電解質(zhì)溶液中的濃度為O?0.lmol/L；所述抗壞血酸在電解質(zhì)溶液中的濃度為0.001?0.4mol/L；所述葡萄糖在電解質(zhì)溶液中濃度為0.001?0.4mol/L。
[0010]所述陽極池中電解質(zhì)溶液的添加量為2?IOOmL。
[0011]所述可見光輻射的強(qiáng)度為0.1SmW.cm—2。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0013](I)本發(fā)明所用的光陽極制作簡單，具有高的光催化活性；
[0014](2)本發(fā)明以生物體內(nèi)物質(zhì)作燃料，氧氣作氧化劑；
[0015](3)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了中性環(huán)境中可見光輻射下抗壞血酸/葡萄糖的光催化氧化；
[0016](4)本發(fā)明所研制的光催化燃料電池在常溫常壓下正常工作；
[0017](5)本發(fā)明構(gòu)建的光催化燃料電池在可見光激發(fā)下的最大功率達(dá)35.6yW.cm—2，短路電流為568.2μΑ.cm—2，光電轉(zhuǎn)化效率為10.3%。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中構(gòu)建的光催化燃料電池的光電流隨時(shí)間變化曲線，其中1、
2、3、4分別對(duì)應(yīng)于亞硫酸鈉/硫化鈉及含葡萄糖、抗壞血酸和抗壞血酸/葡萄糖的測量曲線，5對(duì)應(yīng)于T12電極在抗壞血酸/葡萄糖中的測量曲線；
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中構(gòu)建的光催化燃料電池的電流密度隨電池電壓的變化曲線，其中1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)于緩沖液、亞硫酸鈉/硫化鈉及含葡萄糖、抗壞血酸和抗壞血酸/葡萄糖在光照條件下的測量曲線，6對(duì)應(yīng)于抗壞血酸/葡萄糖在黑暗條件下的測量曲線；
[0020]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中構(gòu)建的光催化燃料電池的功率密度隨電池電壓的變化曲線，其中1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)于緩沖液、亞硫酸鈉/硫化鈉及含葡萄糖、抗壞血酸和抗壞血酸/葡萄糖在光照條件下的測量曲線，6對(duì)應(yīng)于抗壞血酸/葡萄糖在黑暗條件下的測量曲線。[0021 ]具體實(shí)施方法
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)目的，同類物質(zhì)的簡單替代以及尺寸形狀的變化，例如改變本發(fā)明光催化燃料電池的尺寸大小(如改變工作電極或?qū)﹄姌O大小)，改變電極外觀(如改為正方形或其它形狀)，簡單改變亞硫酸鈉、硫化鈉、抗壞血酸或葡萄糖用量等均應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍；下述實(shí)施例中所使用的試驗(yàn)方法如無特殊說明，均為本技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的常規(guī)方法;所使用的材料、試劑等，如無特殊說明，均為可從商業(yè)途徑得到的試劑和材料。
[0023]實(shí)施例1構(gòu)建可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池
[0024]本實(shí)施例的CdS/Ti02電極，通過以下方法制備得到:
[0025](I)將氧化銦錫導(dǎo)電玻璃(基底)浸入所制備的T12溶膠后以一定速度進(jìn)行提拉，使溶膠附著在基底上，再將該電極放入烘箱中恒溫干燥12h后得到T12電極。
[0026](2)米用循環(huán)伏安法電沉積技術(shù)，在三電極體系中，工作電極為Ti02電極，對(duì)電極為鈦電極，參比電極為飽和甘萊電極，電解液為pH = 2.0的0.0 Imo I/L氯化鎘、0.0 ImoI/L硫代硫酸鈉溶液，沉積的電位范圍為-0.3V?-0.9V，掃描圈數(shù)為10圈，掃速為0.05V s—1;
[0027](3)將沉積好的電極放入烘箱中恒溫干燥12h得到CdS/Ti02電極。
[0028]本實(shí)施例光催化燃料電池的構(gòu)建，具體操作步驟如下:
[0029]以制得的CdS/Ti02電極作光陽極，碳?xì)肿麝帢O，并持續(xù)通氧以保持在飽和氧氣氛圍下(氧化劑)，陽極池中加入0.1moI/L氯化鈉(電解質(zhì)溶液)、0.02moI/L三羥甲基氨基甲烷(pH = 7.20;緩沖液)、0.02moI/L亞硫酸鈉(犧牲劑)、0.0Imo 1/L硫化鈉(犧牲劑)、0.1moI/L葡萄糖(燃料)和0.lmol/L抗壞血酸(燃料及葡萄糖氧化介導(dǎo)劑)，陰極池中加入0.lmol/L氯化鈉和0.02mol/L三羥甲基氨基甲烷，兩池之間用飽和氯化鉀鹽橋相連接;在0.18mW.cm—2可見光輻射下構(gòu)建形成光催化燃料電池，即本發(fā)明可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池。
[0030]實(shí)施例2葡萄糖和抗壞血酸的光催化氧化
[0031]對(duì)實(shí)施例1構(gòu)建的光催化燃料電池中CdS/Ti02電極對(duì)抗壞血酸及抗壞血酸促進(jìn)葡萄糖的光催化作用，具體操作步驟如下:
[0032 ]以實(shí)施例1制作的CdS/Ti O2電極作光陽極，碳?xì)肿麝帢O，在光催化燃料電池的陽極和陰極間連接一個(gè)電阻箱和伏特計(jì)，測量計(jì)算300s內(nèi)光照/黑暗條件下在亞硫酸鈉/硫化鈉
(I)及含葡萄糖(2)、抗壞血酸(3)和葡萄糖/抗壞血酸(4)中的電流隨時(shí)間的變化曲線，用以闡明CdS/Ti02電極對(duì)抗壞血酸及抗壞血酸促進(jìn)葡萄糖的光催化作用，同時(shí)將光陽極變成T12電極，測量計(jì)算其300s內(nèi)光照/黑暗條件下在葡萄糖/抗壞血酸中的電流隨時(shí)間的變化曲線(5)，用以闡明T12修飾電極的作用，結(jié)果如圖1所示。
[0033]曲線I顯示的光電流為19.9μΑ.cm—加入葡萄糖后，曲線2顯示的光電流為20.2μA.cm—2，光電流幾乎不變，說明單獨(dú)存在的葡萄糖難以在CdS/Ti02電極上發(fā)生光催化氧化；加入抗壞血酸后，曲線3顯示的光電流為24.ΙμΑ.cm—2，相比于曲線I，光電流提高了21.1%,說明抗壞血酸能在CdS/Ti02電極上發(fā)生光催化氧化，可以作為燃料使用；當(dāng)葡萄糖和抗壞血酸同時(shí)存在時(shí)，曲線4顯示的光電流為26.4μΑ.cm—2，相比于曲線I，光電流增加了6.5μΑ.cm-2，提高了32.5%，說明抗壞血酸不僅能作為燃料，而且能促進(jìn)葡萄糖光催化氧化，且催化效果顯著;將光陽極換成T12電極，曲線5顯示的電流維持在13.6μΑ.cm—2，光照與黑暗條件下的電流幾乎沒有發(fā)生變化，說明T12電極幾乎不受可見光激發(fā)，當(dāng)使用CdS對(duì)T12進(jìn)行敏化修飾后，該CdS/Ti02電極可以受可見光激發(fā)，且光伏效應(yīng)較強(qiáng)。
[0034]實(shí)施例3可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池性能
[0035]對(duì)實(shí)施例1構(gòu)建的光催化燃料電池性能的測試，具體操作步驟如下:
[0036]調(diào)節(jié)連接在光催化燃料電池陽極和陰極間電阻箱的電阻值，測量計(jì)算光催化燃料電池的電流密度(圖2)和功率密度(圖3)隨電壓的變化曲線。
[0037]在0.18mW.cm—2可見光輻射下，曲線I顯示的短路電流為7.4μΑ.cm—2，開路電位為0.4V，在0.3V處達(dá)到最大功率1.6yff.cm—2 ；加入犧牲劑后，曲線2顯示的短路電流為34.1μA.cm—2，開路電位為0.5V，在0.3V處達(dá)到最大功率4.0yW.cm—2，犧牲劑的加入使電池的最大功率提高了 1.5倍；加入葡萄糖后，曲線3顯示的短路電流為51.1μΑ.cm—2，開路電位為0.6V，在0.4V處達(dá)到最大功率4.5yff.cm—2，短路電流、開路電位、最大功率等的變化不大，說明單獨(dú)存在的葡萄糖難以在CdS/Ti02電極上發(fā)生光催化氧化;加入抗壞血酸后，曲線4顯示的短路電流為454.6μΑ.cm—2，開路電位為0.6V，在0.1V處達(dá)到最大功率24.2yW.cm—2，相比于曲線2，最大功率提高了5.1倍；當(dāng)葡萄糖和抗壞血酸同時(shí)存在時(shí)，曲線5顯示的短路電流為568.2μΑ.cm—2，開路電位為0.8V，在0.2V處達(dá)到最大功率35.6yW.cm—2，相比于曲線2，最大功率提高了 8.0倍，說明本發(fā)明制作的非酶催化劑實(shí)現(xiàn)了中性環(huán)境中可見光輻射下抗壞血酸/葡萄糖的光催化氧化。在黑暗條件下測試實(shí)施例1構(gòu)建的光催化燃料電池，曲線6顯示的短路電流為340.9μΑ.cm—2，開路電位為0.5V，在0.1V處達(dá)到最大功率17.0yW.cm—2，相較于曲線5，可見光激發(fā)產(chǎn)生的功率為18.6yff.cm—2，光電轉(zhuǎn)化效率為10.3%。
[0038]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池，其特征在于:該燃料電池是以納米CdS/Ti02電極作光陽極，以碳?xì)肿麝帢O;持續(xù)通氧以保持在飽和氧氣氛圍下，在陽極池中加入氯化鈉溶液作電解質(zhì)溶液、加入葡萄糖作燃料、加入抗壞血酸作燃料及葡萄糖氧化介導(dǎo)劑、加入亞硫酸鈉和硫化鈉作犧牲劑、加入三羥甲基氨基甲烷作緩沖劑，在陰極池中加入氯化鈉溶液和三羥甲基氨基甲烷，在可見光輻射下構(gòu)建形成光催化燃料電池。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池，其特征在于:所述燃料電池在可見光輻射下最大功率達(dá)35.6yW.cm—2，短路電流為568.2μΑ.cm—2，光電轉(zhuǎn)化效率為10.3%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池，其特征在于:所述陽極池和陰極池中均使用三羥甲基氨基甲烷作緩沖劑，使溶液PH維持在5?9。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池，其特征在于:所述亞硫酸鈉在電解質(zhì)溶液中的濃度為O?0.2mol/L;所述硫化鈉在電解質(zhì)溶液中的濃度為O?0.1mo I/L;所述抗壞血酸在電解質(zhì)溶液中的濃度為0.001?0.4mo I/L ；所述葡萄糖在電解質(zhì)溶液中濃度為0.001?0.4mol/L。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池，其特征在于:所述陽極池中電解質(zhì)溶液的添加量為2?I OOmL。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見光激發(fā)納米CdS/Ti02增強(qiáng)抗壞血酸/葡萄糖燃料電池，其特征在于:所述可見光輻射的強(qiáng)度為0.1SmW.cm—2。
【文檔編號(hào)】H01M8/16GK105845944SQ201610210563
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】梁興煇, 劉俊辰, 李紅
【申請(qǐng)人】華南師范大學(xué)