[发明专利]一种掺杂碳纳米催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物能源材料领域，具体涉及一种掺杂碳纳米催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

微生物燃料电池(microbialfuelcells,MFCs)是一种以产电微生物作为催化剂，将有机物的化学能转化成电能的先进能源技术。目前人类世界存在环境污染与资源短缺两大危机，MFCs在处理有机废物(包括有机废水和有机固体废弃物)的同时产电,实现废物处理和能源回收双赢,已成为环保领域研究的热点。

目前微生物燃料电池大多处于实验室阶段，所以微生物燃料电池系统的放大是当前的面临的主要问题。微生物燃料电池的放大的关键是直接(无需添加外源性电子传递中间体)、单腔和廉价阴极三个重要方面。而目前，作为生物燃料电池阴极普遍采用高效的pt催化剂。然而其昂贵的价格而且易中毒严重阻碍生物燃料电池的放大。因此必须找到廉价高效稳定的替代品。

新型碳材料，如碳纳米管和石墨烯是近年来阴极催化剂的研究热点。碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)具有的机械性能、化学稳定性和导电性，且具备极高的比表面积，因此可以替代其它碳材料，作为微生物和金属催化剂的优良载体。石墨烯是与CNT结构及性质类似的二维碳纳米材料，也被应用于MFC阴极研究。石墨烯作为催化剂时，其催化活性较差，研究中多将其作为催化剂载体。然而由于石墨烯和碳纳米管自身成本较高，且在掺杂的过程中也存在稳定的问题，应用于实际的稳定性也会受到一定限制。天然生物质如鸡蛋(Jianetal.,2014)、木耳、猪血、大豆(Guoetal.,2014)、污泥、真菌、细菌含有丰富的营养元素可以在制备过程中实现自掺杂减少复杂的掺杂工序。其中铁、锰、磷、硫、氮、卤族元素等都被证明对氧还原效果有积极的促进作用。所以，选择天然生物质为前驱物制备阴极催化剂成为研究热点，但是大部分的制备方法比较复杂，不易控制，需要进一步研究，以降低其成本和复杂度，并提高其催化活性。

发明内容

本发明目的之一是提供一种掺杂碳纳米催化剂。

本发明目的之二是提供上述催化剂的制备方法。

本发明的目的之三是提供上述催化剂的应用。

本发明方法充分利用了生物质中所富含的铁、锰、磷、硫、氮、卤族元素等元素，其中氮元素可形成大π键，提高催化性能，使表面含氧基团丰富，提供了更多的吸附、配位及置换官能，同时也能够提供更多的化学活性位点。而其它元素也被证实可以有效的提高催化剂的极限电流密度和使起始点位前移。并且原位掺杂的方式，可以使催化剂具有更高的稳定性。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种掺杂碳纳米催化剂的制备方法，步骤如下：

将整只熟鸡蛋研磨脱水后与g-C₃N₄混合，所述脱水后鸡蛋和g-C₃N₄的质量比为0.5～2，将上述混合物研磨均匀放入管式炉中通氮气保护，在以5～15℃/min的升温速率在800～1000℃下煅烧1～3h，即得到掺杂碳纳米催化剂。

所述g-C₃N₄通过尿素脱水研磨均匀后放入550℃马弗炉中煅烧3h制备。

所述脱水鸡蛋和g-C₃N₄的质量比为1。

管式炉中的升温速率为10℃/min，煅烧温度为900℃，煅烧时间为2h。

所述干燥脱水是在80℃下鼓风干燥24h。

利用上述方法制备的掺杂碳纳米催化剂制备微生物燃料电池的空气阴极。

所述空气阴极的制备方法为：先将基体材料碳布用石墨和40％PTFE混合物涂布，风干后在事先预热到370℃马弗炉中处理20-30min，然后在一面涂PTFE层作为扩散层，在另一面涂上掺杂碳纳米催化剂。

所述扩散层的具体制备过程为：摇动60％PTFE乳液管使悬浊液尽可能分散均匀，用刷子将其均匀涂在碳布上；风干5-10min后将碳布置于事先预热到370℃的马弗炉热处理10-15min；然后取出碳布冷却至室温；重复三次，总共涂布、热处理4层PTFE涂层。

利用所述空气阴极运行微生物燃料电池。具体过程为：将养猪场底泥预培养后，取上清液作为接种物；将接种物和1g·L^-1的葡萄糖营养液按照1:1的体积比混合后接种于微生物燃料电池，在温度为30℃的条件下运行。