石墨烯修饰泡沫镍电极在碱性葡萄糖燃料电池中的应用

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1、石墨烯修饰泡沫镍电极在碱性葡萄糖燃料电池中的应用Applicationofgraphenemodifiednickelfoamelectrodeinalkalineglucosefuelcell学科专业：环境科学作者姓名：赵杨指导教师：刘宪华副教授天津大学环境科学与工程学院二零一七年十二月摘要随着电力需求的不断增长、油价的不稳定上涨和环境问题的日益严峻，发展可再生能源已经成为社会的共识。葡萄糖燃料电池是一种原料经济环保且能够长期稳定供电的发电装置，但葡萄糖氧化效率低、电子传递体具有环境危害性、催化剂成本高和易中毒等问题限制了葡萄糖燃

2、料电池的广泛应用。本文首先使用葡萄糖还原氧化石墨烯，并利用掺杂法将石墨烯固定在泡沫镍表面，这种阳极不使用贵金属和电子传递体，同时具有较高的催化葡萄糖氧化性能。当石墨烯与活性炭的质量比为0.075:1时，电池的最大功率密度为13.08Wm-2，相比于空白活性炭阳极提高了35.26%。EIS和LSV等测试结果说明活性炭层中均匀分布的石墨烯为提高阳极的电化学催化活性起到了重要作用。然后利用一步电沉积法将石墨烯和三氧化二镍共沉积在泡沫镍表面，并确定最优沉积条件为-1.2V，800s，通过Raman、XPS和SEM表征发现石墨烯呈现三维花瓣状

3、，且负载有三氧化二镍。将此电极用作葡萄糖燃料电池的阳极，电池最大功率密度达到13.48Wm-2，高于掺杂法石墨烯修饰阳极。LSV测试结果表明此阳极的极化程度显著低于掺杂法石墨烯修饰阳极，说明石墨烯的高导电性和三氧化二镍的催化活性相互协同，共同促进了葡萄糖的氧化进程。本文通过成本低、简单易操作的方法得到了两种石墨烯修饰泡沫镍阳极，初步探讨了石墨烯提高电池性能的作用机理，并借助石墨烯优异的物理化学性能解决碱性葡萄糖燃料电池的发展瓶颈，达到了替代电子传递体、提高电池整体性能的效果。关键词：石墨烯，电子传递体，葡萄糖，碱性燃料电池IABST

4、RACTWiththeincreasingdemandforelectricity,unstablerisingoilpricesandincreasinglyseriousenvironmentalproblems,thedevelopmentofrenewableenergyhasbecomeasocialconsensus.Glucosefuelcellisakindofenergystoragedevice,whichhastheadvantagesofeconomicenvironmentprotectionandlong

5、-termstablepowersupply.However,thedisadvantagesoflowglucoseoxidationefficiency,highcost,poorstability,andtoxicityofelectronmediatorslargelyhamperthepracticalapplicationoffuelcell.Inthispaper,weuseglucosetoreducegrapheneoxide,andthenthegrapheneisimmobilizedonthenickelfo

6、amsurfacebydopingmethod,whichdoesnotuseelectronmediatorsandhashighcatalyticrateofglucoseoxidation.Whenthemassratioofgraphenetoactivatedcarbonis0.075:1,themaximumpowerdensityofglucosefuelcellis13.08Wm-2,whichis35.26%higherthanthatoftheblankanodecell.TheresultsofEISandLS

7、Vshowthattheuniformlydistributedgrapheneintheactivatedcarbonlayerplaysanimportantroleinimprovingtheelectrochemicalcatalyticactivity.Thenwedemonstrateaone-stepmethodtoproducenickelfoamelectrodemodifiedwithgrapheneandnickeloxides.Thestructureandmorphologyoftheresulting3D

8、graphene-nickeloxides/nickelfoamarecharacterizedbyRaman,XPSandSEM.Themaximumpowerdensityofglucosefuelcellequippedwith