[发明专利]一种用于微生物燃料电池的阳极催化剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂的制备方法，特别是涉及一种用于微生物燃料电池的阳极催化剂的制备方法。本发明还涉及上述制备方法制备的催化剂作为微生物燃料电池的阳极催化剂的应用。

背景技术

随着全球气候变暖和化石燃料耗竭等问题的日益严峻，可替代能源和可再生能源的研究受到越来越多的重视。近年来，一种能直接将化学能转化电能的发电装置——微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)，以其特有的优点，逐渐成为新兴能源领域的研究热点。从MFC的产电机理来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，同时还影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。一直以来，功率问题是影响MFC发展的瓶颈，选择具有潜力的阳极材料对提高MFC的产电能力具有重要的理论意义与应用价值。

微生物燃料电池(MFC)将化学能直接转化成电能的装置。在阳极表面，水溶液或污泥中的有机物，如葡萄糖、醋酸、多糖和其他可降解的有机物等在阳极微生物的作用下，产生二氧化碳、质子和电子。MFC以其独特的产电方式，作为一种新能源，正引起各国科学家注目并积极地着手研制。由于阳极直接参与微生物催化的燃料氧化反应，而且吸附在电极上的那部分微生物对产电的多少起主要作用，所以阳极电极材料的改进以及表面积的提高有利于更多的微生物吸附到电极上，通过把电极材料换成多孔性的物质，如石墨毡、泡沫状物质、活性炭等，或者在阳极上加入聚阴离子或铁、锰元素，都能使电池更高效地进行工作。

而现有微生物燃料电池都是使用碳毡非催化电极，但是使用这种电极的缺点是微生物燃料电池的能量输出不是特别的高，而且电极材料来源不广，价格比较贵，稳定性能、生物相容性均有待提高，不利于微生物燃料电池的商业化发展。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中的不足而完成的，本发明的目的是提供一种的材料来源广泛、价格低廉、制备的催化剂稳定性强，生物相容性好，可以提高微生物燃料电池能量输出，有利于微生物燃料电池商业化发展的用于微生物燃料电池的阳极催化剂的制备方法。

本发明的一种用于微生物燃料电池的阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)、双螺旋结构的氧化硅制备：按照重量比将1.0-2.0g嵌段共聚物P123，127-140mL0.6M HCl和1.0g正丁醇油浴控温34-36℃搅拌至表面活性剂完全溶解，然后，加入1.5-2.5g正硅酸乙酯，在相同温度下继续搅拌20h以上，将制得的混合溶液转至聚四氟乙烯水热瓶中，烘箱100℃水热反应20h以上，冷却后，抽滤，洗涤，室温下自然干燥得白色粉末，最后将所得白色粉末在500-600℃焙烧去除有机结构导向剂，得到双螺旋结构的氧化硅，即硅模板；

(2)、介孔三氧化钨的制备：按照重量比例1.0-1.5g 12-磷钨酸(PW₁₂)溶解在20ml乙醇中，注入0.5-1.0g(1)步骤中得到的双螺旋结构的氧化硅，35-45℃下将乙醇蒸干，所得复合材料在450-500℃下煅烧，使分解产物三氧化钨嵌入硅模板中，然后，将此复合材料在25-35ml的1.0-3.0M氟化氢溶液中搅拌6-8h以去除硅模板，离心，洗涤，得所要产物m-WO₃，即介孔三氧化钨；

(3)、聚苯胺/介孔三氧化钨的制备

取0.4g上述(2)步骤中得到的m-WO₃溶解在3-5ml的1.0-2.0M HCl溶液中进行超声处理，取盐酸苯胺单体加入至上述超声溶液中，所述盐酸苯胺单体为将0.1-0.7ml的苯胺加入0.3-2.1ml1.0M的盐酸与5-35ml去离子水形成，保持温度在0-5℃，以每5秒1-2滴的滴加速度缓慢加入0.2-0.6mol/L过硫酸铵溶液，后搅拌6-8h，抽滤，洗涤，先用去离子水洗涤，再用甲醇洗涤，直至溶液澄清，然后在60℃下真空干燥20h以上，即得含聚苯胺的复合催化剂聚苯胺/介孔三氧化钨。

本发明的一种用于微生物燃料电池的阳极催化剂的制备方法，由于其包括上述步骤，因此相比现有技术而言具有的优点是与碳毡非催化电极相比，聚苯胺/介孔三氧化钨大大提高了MFC的能量输出；聚苯胺/介孔三氧化钨来源广泛，价格低廉，稳定性强，生物相容性好，是贵金属Pt的替代催化剂，为微生物燃料电池的商业化打下良好的基础。

本发明的另一目的是提供上述的制备方法制备的阳极催化剂用于微生物燃料电池的阳极催化剂的应用。

附图说明