[发明专利]一种基于蜘蛛丝的多孔活性碳纤维材料及应用

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种基于蜘蛛丝的多孔活性碳纤维材料及应用。

背景技术

碳纤维是指含碳量大于90%（质量分数）的新型非金属纤维材料，是一种性质优良的功能材料和结构材料。它具有强度高、密度低、热膨胀系数小、导电及导热性能好等优点；除此之外，它还具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等特性，在航空航天、国防工业、石油化工、医疗、建筑及电器等诸多领域都具有重要的应用价值。目前，碳纤维材料的制备方法包括静电纺织法、热解碳化法等。前者是利用液态流体表面累积静电荷之间的排斥力与高压静电场的拉伸力相互作用而制备纳米尺寸长丝；后者主要是利用高温将原本呈丝状的前驱体在绝氧环境下碳化为纳米结构，进而制备得到纳米碳纤维材料。但是，这些方法制备碳纤维需要较昂贵的仪器设备和复杂的化学合成过程。

蜘蛛丝是一种由多种氨基酸构成的丝状天然蛋白纤维，具有强度高、粘附性及韧性强等特点，是自然界颇具应用潜力的生物材料。但是，跟大规模利用的蚕丝相比，目前蜘蛛丝还不能被充分利用。蜘蛛丝未能在实际应用方面取得突破，其主要原因是人们对蜘蛛丝结构及性能的特点仍未完全掌握。

发明内容

针对上述问题，本发明从高效合理利用废弃生物质资源为切入点，以普遍存在的蛛网为原料，将其经碳化处理制得多孔活性碳纤维材料，并应用于微生物燃料电池阴极催化剂及阴极电极材料，为其资源化利用提供一种新的有效途径，同时也为生物质材料资源化利用提供一个参考。

本发明所采取的技术方案是：

一种多孔活性碳纤维，其制备方法包括下列步骤：

1）收集环境中的蜘蛛网，去除其中的杂质；

2）依次用去离子水、盐酸、乙醇超声清洗20～40min，再用超纯水清洗干净，干燥；

3）将干燥蛛网200～400℃预碳化，待其自然冷却至室温后与活化试剂混合，研磨混匀，再经700～1000℃碳化，得到多孔活性碳纤维。

优选的，所述蛛网为室内空间角落清洁网状或丝状结构蛛网。

优选的，步骤2）中盐酸浓度为1.0～2.0mol/L，超声清洗时间为25～30min。

优选的，步骤2）中干燥温度为60～80℃，且干燥至蛛网水分含量低于5%。

优选的，步骤3）中，在惰性气体的保护下，对干燥蛛网250～300℃预碳化1～2h。

优选的，步骤3）中，在惰性气体的保护下，预碳化获得的碳化蛛网与活化试剂混合，研磨混匀，再经800～900℃碳化1～2h。

优选的，步骤3）中活化试剂为FeCl₃或ZnCl₂，其用量为预碳化获得的碳化蛛网质量的1～5倍。

优选的，步骤3）中活化试剂的加入量为预碳化获得的碳化蛛网质量的2.4～3.6倍。

一种微生物燃料电池阴极氧还原催化剂材料，所述阴极氧还原催化剂材料为上述任一项所述的多孔活性碳纤维。

多孔活性碳纤维作为微生物燃料电池阴极氧还原催化剂材料的应用，其中多孔活性碳纤维如上述任一项所述。

多孔活性碳纤维作为微生物燃料电池阴极电极材料的应用，其中多孔活性碳纤维如上述任一项所述。

本发明的有益效果是：

本发明制备的多孔活性碳纤维材料可作为微生物燃料电池阴极催化剂及电极材料，它以室内空间环境中的蜘蛛网为原料，其成本低廉、方法简单，且性能稳定、活性良好，为自然废弃物资源化利用提供了新的思路。

本发明制备的多孔活性碳纤维可用于微生物燃料电池的阴极氧还原催化剂和阴极电极材料，其氧还原催化活性接近于铂，且稳定性及耐甲醇性有所提高；与传统石墨电极相比较，以碳化蛛网为阳极的微生物燃料电池最大功率密度可提高2倍左右。

附图说明

图1为实施例1制备的多孔活性碳纤维材料的扫描电子显微镜；

图2为实施例2制备的多孔活性碳纤维材料的扫描电子显微镜；

图3为多孔活性碳纤维材料在碱性环境中不同转速条件下旋转圆盘电极线性伏安扫描曲线；

图4为几种不同阳极材料条件下微生物燃料电池功率密度随电流密度的变化曲线。

具体实施方式

以下结合具体的实施例对本发明作进一步说明，但并不局限于此。

实施例1

一种多孔活性碳纤维材料，其制备方法包括以下步骤：

1）收集室内清洁蛛网，去除大颗粒固体及灰尘等杂质；