[发明专利]一种阴极材料的制备方法及其在微生物燃料电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源与环境工程技术领域，具体涉及化学活化碳材料在微生物燃料电池中的应用。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能的新型装置。其可以从废水中回收电能，实现了废水处理与电能回收的双赢，且其具有反应条件温和、无污染等特点，是一种理想的新型能源，从而越来越受到人们的关注。

目前，微生物燃料电池的输出功率仍然很低。这主要是由于微生物对底物的氧化速率慢、电子传递速率小、阴极活化过电位低、电池内阻大等原因造成的。为提高微生物燃料电池的产电功率，已经做了大量的工作，尤其是在电极材料的研究方面做了很大的努力。

阴极性能是影响MFCs性能的重要因素。阴极通常采用石墨、碳布或碳纸等材料，但直接使用效果不佳。为提高阴极材料的性能，可通过高活性的催化剂进行表面改性来降低阴极反应活化电势，从而加快反应速率。目前常采用的催化剂为铂，但由于铂为贵金属，利用铂作为微生物燃料电池的催化剂大大增加了电池的制造成本，而且易引起催化剂中毒，进一步制约了微生物燃料电池实际应用的可行性。现在对其他替代催化剂的研究已日益广泛，如CoTMPP、FePc、天然金红石、MnO₂及硫酸铁和生物阴极等。例如，专利申请号为20071019540.5和20081019845.3的专利申请中分别公开了以铁离子和二氧化锰为催化剂的非生物阴极，专利申请号为20081006411.7的专利申请中公开了利用好氧微生物作为MFCs阴极催化剂的制备方法；另外，对于无金属催化剂的微生物燃料电池也有一定的研究，例如专利申请号为20091015323.5和20091015323.6的专利申请中公开了一种无金属催化剂的单室微生物燃料电池和无金属催化剂的空气阴极及其制备方法。然而，这些采用催化剂或者无催化剂的微生物燃料电池的阴极材料存在不够便宜、稳定性差或者功率密度低等缺陷。

化学活化方法是一种廉价而且有效的表面改性方法。Hajime Tamon(Carbon, 1996, 34(6)：741-746)等研究表明，经硝酸氧化的活性炭表面微孔大量缺失，活性炭表面氧化物的增多，极性分子的化学吸附位增加；徐涛等(化学工程，2009，37（11）：70-74)利用磷酸活化法制备花生壳活性炭，得到吸附性能较高的活性炭材料；万翔(上海：同济大学，2006)研究了以氯化锌为活化剂改性的炭电极材料，结果表明制备的炭材料以微孔为主，具有较好的充放电性能以及良好的循环伏安特性。以上研究表明，化学活化能够改善碳材料作为吸附剂时的吸附性以及作为电容电极材料时的充放电性。然而，化学活化方法对碳材料表面氧还原特性的改善以及化学活化碳材料在微生物燃料电池阴极中的应用鲜见有报道。由于碳材料具有耐高温性、导电、导热性、化学稳定性等特殊性质，因此可以利用经强酸化学活化改性的碳材料作为微生物燃料电池的阴极材料。

发明内容

本发明的目的在于利用强酸活化碳基材料制备阴极材料代替贵金属等修饰的阴极材料应用于微生物燃料电池中，降低了微生物燃料电池的造价，提高微生物燃料电池在实际中应用的可行性。另外，利用强酸活化碳基阴极材料代替普通碳基阴极应用于微生物燃料电池中，提高了微生物燃料电池阴极的氧还原能力及其功率密度以及运行的稳定性。本发明的主要内容如下：

一种阴极材料的制备方法，所述制备方法以碳材料为基体，利用强酸化学活化改性碳材料表面特性，制备得到一种阴极材料；包括如下步骤：

（1）首先，用去离子水或乙醇对所述碳材料进行预处理；

（2）然后，放入质量百分浓度为20～100%的强酸中浸泡活化1～48小时；

（3）清洗、晾干，即得到所述阴极材料。

所述碳材料是石墨、碳纤维、活性炭或无定型碳。

所述强酸是磷酸、硝酸、硫酸或它们的混合物。

通过上述一种阴极材料的制备方法得到的阴极材料在微生物燃料电池中的应用，以所述阴极材料为所述微生物燃料电池的阴极。

本发明验证强酸活化碳基材料应用于微生物燃料电池阴极的过程如下：

第一步：强酸活化碳基材料的制备与表征

（1）将碳基材料用去离子水和乙醇清洗、风干，然后用强酸（磷酸、硝酸、硫酸或它们的混合酸等）浸泡，若干小时后，用清水清洗掉剩余强酸，并且晾干。分别对活化前化后的石墨电极进行电化学测试(EIS、CV)；且分别对活化前后的石墨材料进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试，并分析其表面官能团的种类及数量变化。

第二步：微生物燃料电池的组装和启动