[发明专利]碳化镍钼在制备微生物燃料电池阳极中的应用

说明书

技术领域

本发明属于微生物燃料电池的制造领域，具体涉及将碳化镍钼用于制备微 生物燃料电池阳极，并将该阳极进一步用于制备微生物燃料电池。

背景技术

近些年来，一项新的技术——微生物燃料电池(MFCs)蓬勃兴起，它是 微生物技术与电池技术相结合的产物，是一种利用微生物作为催化剂将有机物 中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有发电与废弃物处置双重功效。除 高浓度有机废水外，MFCs还能以生活污水、人畜粪便等污染物作为燃料发电。 因此它是一项发展潜力巨大的先进生物质能利用技术，有望成为未来有机废物 处理的支柱性技术。MFC的基本原理是：有机物作为燃料在厌氧阳极室中被 微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到 达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过交换膜到达阴极，与氧反应生成 水。

微生物燃料电池自身潜在的优点使人们对它的发展前景十分看好，但微生 物燃料电池产生比其他类型的燃料电池功率密度低，长期运行稳定性差与制作 成本高等限制其实际应用，目前其研究还处于实验室或小试水平。虽然近几年 来由于高效产电铁还原菌、先进电极材料的应用，以及运行参数的优化，使得 MFC性能飞速提高，最高输出功率已从最初的mW·m^-3级提高到目前的10～ 100W·m^-3。但是，离实际应用(一般认为稳定输出功率达到1kW·m^-3时)仍有 较大差距。昂贵的质子交换膜、Pt催化剂还普遍应用在MFC中。迄今为止，已 报道唯一投入使用的MFC电池堆是美国海军研究中心研制的，用作海洋气象 自动浮标站的供电系统，稳定输出功率为36mW(每年发电量相当于26节碱性 干电池)，但造价昂贵，约花费2500美元。

MFC的研究现状与面临的主要问题决定了对其研究的重点在于提高 MFC的电能输出、降低造价成本。综述国内外的文献报道，主要研究方向可 归结为：(1)产电微生物；(2)隔膜；(3)阳极电子供体和电极材料；(4)阴 极电子受体与电极材料；(5)电池结构；(6)温度、pH、有机物浓度和外电 阻等运行条件。阳极电极材料上吸附的生物接种量对其功率密度的影响最大。 开发一种新的阳极材料可以进一步提高MFC的功率密度，这是一个巨大的挑 战。MFC的阳极催化机制的本质性质不仅是生物的也是一个电化学过程。在 过去的几年里，一些科学家通过用不同的化学催化剂修饰来改善MFC的阳极 材料。

过渡金属碳化物在传统的研究中主要利用其的高机械硬度和高熔点，但他 们现在也逐渐被用来催化氨合成和分解，氢解，异构化，甲烷化催化剂，加氢 等反应。由于过渡金属碳化物，通常为IV组，已有文献报告其具有铂类的化 学性质和电子性质。文献报道第IV组过渡金属碳化物渗碳后超过原来的活泼 金属的活性。目前已有许多有关过渡金属碳化物应用于氢燃料电池的研究。例 如，被研究最多的就是碳化钨和碳化钼。

随后电催化剂已经发展到了双金属的研究，以促进双功能催化性能。一些 研究表明，镍钼碳化物(NiMoC)在氢氧化反应(HOR)中的活性是由于渗 碳后的镍钼合金。另一方面，镍电极已被使用在熔融碳酸盐和固体氧化物燃料 电池的阳极材料中，因为它可以在高温下提供充分的活性。

我们以前的研究工作表明，MO₂C作为阳极催化剂可以提高MFC的性能， 特别是功率密度。碳化镍钼作为MFC阳极催化剂尚未被研究。过渡金属碳化 物传统的几种不同合成方法是：在惰性环境下碳热还原法，程序升温反应法， 化学气相沉淀法，高温合成方法，超声波合成方法等。这些制备方法复杂，条 件严格。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种廉价、来源广 泛且环境友好，制备工艺简单的催化氢氧化的催化剂碳化镍钼(NiMoC)在制 备微生物燃料电池，尤其是制备微生物燃料电池的阳极中的应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

碳化镍钼催化剂作为贵金属催化剂的替代物应用于制备微生物燃料电池 阳极。

作为上述应用的一种具体方式，本发明提供了一种微生物燃料电池阳极， 包括导电基底和其表面附有的催化剂层，所述催化剂层中含有碳化镍钼。

为使本发明的微生物燃料电池阳极的性能更加优良，采用以下的优化方 案：

所述导电基底优选碳毡(Carbon felt)、石墨纸或碳纤维布。