一种可充放电的生物质电池制造技术

本发明专利技术公开了一种可充放电的生物质电池。该电池是由负极集流体、负极催化剂、隔膜、正极、正极集流体依次组装而成，负极电解液和正极电解液由液泵分别导入负极室和正极室，并导入负极储罐和正极储罐进行循环。该系统特征在于将Ni

【技术实现步骤摘要】
一种可充放电的生物质电池


[0001]本专利技术属于生物质电催化转化与电化学储能
，具体地，涉及一种可充放电的生物质电池，该生物质电池是生物质衍生醛电催化氧化还原转化耦合氧化还原对实现电化学储能的复合系统。

技术介绍

[0002]可再生的生物质资源可制备广泛的精细化工品，包括聚合物、表面活性剂、染料、制药和农药等，是解决现代社会能源枯竭和环境问题的有效手段之一。传统的生物质炼制过程常采用热催化方式，该过程需要使用大量的氧化还原剂，同时需要高温高压，消耗大量化石能源，难以满足现代社会对绿色可持续发展的迫切需求。使用电能驱动的电化学合成技术，反应条件温和(常温常压)，同时可利用水中的活性氢与活性氧参与反应，可作为绿色的氧化还原剂，且不产生碳排放，符合绿色化学理念。因此，以电催化的方式实现生物质分子的定向高值转化越来越受到重视。
[0003]生物质衍生醛(如糠醛、5
‑
羟甲基糠醛等)来源丰富，市场价格较低，通过电催化氧化还原方式能够制备得到高价值的化学品。如糠醛的氧化产物糠醛是药品、香料和塑料工业的重要原料，其还原产物糠醇在呋喃树脂、防腐剂、润滑剂和燃料方面也具有广泛的应用潜力。然而，目前大部分电催化合成在生产过程中仅关注单个反应过程，另一电极未能有效利用，降低了整个系统的电子经济性。尽管使用成对电合成的方式，能够实现阴阳两极同时生成化学品，但由于阴阳两极的耦合关系，两种化学品的生产速率将限制在速率较慢的半反应上，并且整个电解过程仍然需要较高的电压驱动。如专利[CN 113430559 B]仅实现糠醛或5
‑
羟甲基糠醛的还原反应；专利[CN 114164454 B]报道的电催化还原4
‑
硝基苯甲醇与电催化氧化5
‑
羟甲基糠醛耦合体系，尽管实现了阴阳两极同时产化学品，但需要～1.4V的电压驱动力。
[0004]因此，亟需开发一种能耗低，电子利用率高且电化学生产速率不相互制约的电化学合成系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种生物质衍生醛的电催化氧化还原与电化学储能的耦合系统，该系统特征在于将Ni
2+
/Ni
3+
氧化还原储能机制与生物质醛的电催化氧化还原反应耦合在一个器件中。充电时，负极发生醛的电催化还原反应生成醇，同时正极Ni
2+
氧化至Ni
3+
；放电时，负极发生醛的电催化氧化反应生成酸，正极Ni
3+
可逆还原至Ni
2+
。该系统实现可再生电能的有效回收和对外供能，同时在充放电过程中，解决现有电合成体系中半反应利用不足、电子经济性不高、化学品生产速率低、能耗高的问题，提高电合成效率。
[0006]所述的可充放电的生物质电池是由负极集流体、负极催化剂、隔膜、正极、正极集流体依次组装而成，负极电解液和正极电解液由液泵分别导入负极室和正极室，并导入负极储罐和正极储罐进行循环。
[0007]工作原理：
[0008]充电正极反应：还原态
–
e
–
→
氧化态
[0009]充电负极反应：生物质衍生醛+e
–
→
生物质醇
[0010]放电正极反应：氧化态+e
–
→
还原态
[0011]放电负极反应：生物质衍生醛
–
e
–
→
生物质酸
[0012]电池充放电过程中，在负极催化剂上分别进行生物质衍生醛的氧化还原反应。
[0013]在上述技术方案中，所述的集流体为泡沫铜、铜网、铜片、泡沫镍、镍网、镍片、钛网、钛片、不锈钢网、不锈钢片、碳布和碳纸中的一种或几种。
[0014]在上述技术方案中，所述的负极催化剂为铜、银、金、铜银、铜金、铜铂、铜铑、铜钯、铜钌、铜镍、铜钴、铜铱催化剂中的一种或几种。优选地，所述的负极催化剂为铜、铜铑和铜钌催化剂。
[0015]所述的正极为氢氧化镍、氢氧化钴、钴掺杂氢氧化镍中的任意一种。优选地，所述的正极材料为钴掺杂氢氧化镍。
[0016]在上述技术方案中，所述的负极电解液为氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸、高氯酸、硫酸钠、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠中的任意一种电解质水溶液与生物质衍生醛的混合液。
[0017]所述的正极电解液为氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸、高氯酸、硫酸钠、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠中的任意一种电解质水溶液。优选地，所述的负极电解液为氢氧化钠和氢氧化钾。
[0018]在上述技术方案中，所述的生物质衍生醛为糠醛、5
‑
羟甲基糠醛、对甲基糠醛、间甲基糠醛、邻甲基糠醛，苯甲醛、丙酮醛、乙醇醛、乙醛、甲醛中的任意一种或几种。优选地，所述的生物质衍生醛为糠醛和5
‑
羟甲基糠醛。
[0019]在上述技术方案中，所述电解质水溶液浓度为0.01
‑
10M，生物质衍生醛浓度为0.005
ꢀ‑
0.5M。优选地，所述的电解质水溶液浓度为0.1
‑
2M，生物质衍生醛浓度为0.01
‑
0.2M。
[0020]在上述技术方案中，所述正极和负极催化剂通过电沉积法、水热法、喷涂法、旋涂法、浸渍法中的一种或几种方法负载于集流体上。
[0021]在上述技术方案中，所述隔膜为FAA
‑3‑
20、Nafion 212、Nafion117中的任意一种。
[0022]该类电池能够成功构造的前提在于醛基同时具有氧化性和还原性，且醛基的氧化电位和还原电位在碱液中(pH＝14)相对标准氢电极标度接近
‑
0.83V，因此只要选择合适的可逆氧化还原对进行组合，就可以构造成可充放电的电催化
‑
电池复合系统。
[0023]与传统的电化学氧化还原生物质衍生醛相比，本专利技术提出的电催化
‑
储能耦合系统除了能够产生相应的还原和氧化化学品外，还能作为可充放电的电池，对可再生电能进行存储和释放，高效利用电合成中的半反应，提高电子经济性；此外，由于生物质衍生醛的电催化还原和电催化氧化过程分别是在电池的充电和放电过程中进行，两者的速率不受制约关系，提高电合成效率。
附图说明
[0024]图1是实施例2中铜铑催化剂上糠醛电催化氧化的线性扫描伏安极化曲线。
[0025]图2是实施例3中铜铑催化剂上糠醛电催化还原的线性扫描伏安极化曲线。
[0026]图3是实施例4中以铜铑催化剂为负极，钴掺杂氢氧化镍为正极，含糠醛负极液组装成的生物质电池的I
‑
V曲线及功率密度图。
[0027]图4是实施例4中以铜铑催化剂为负极，钴掺杂氢氧化镍为正极，含糠醛的负极液组装成的生物质电池在不同的电流密度下充放电曲线。
[0028]图5是实施例5中以锌片为负极，铜铑催化剂为正极，含糠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可充放电的生物质电池，其特征在于，所述电池是由负极集流体、负极催化剂、隔膜、正极、正极集流体依次组装而成，负极电解液和正极电解液由液泵分别导入负极室和正极室，并导入负极储罐和正极储罐进行循环。2.根据权利要求1所述的可充放电生物质电池，其特征在于：所述的集流体为泡沫铜、铜网、铜片、泡沫镍、镍网、镍片、钛网、钛片、不锈钢网、不锈钢片、碳布和碳纸中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的可充放电生物质电池，其特征在于：所述的负极催化剂为铜、银、金、铜银、铜金、铜铂、铜铑、铜钯、铜钌、铜镍、铜钴、铜铱催化剂中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的可充放电生物质电池，其特征在于：所述的负极电解液为氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸、高氯酸、硫酸钠、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠中的任意一种电解质水溶液与生物质衍生醛的混合液。5.根据权利要求4所述的可充放电生物质电池，其特征在于：所述的生物质衍生醛为糠醛、5
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羟甲基糠醛、对甲基糠醛、间甲基糠醛、...

【专利技术属性】
技术研发人员：段昊泓，李敬，
申请(专利权)人：物质绿色创造与制造海河实验室，
类型：发明
国别省市：