[发明专利]一种空心结构碳纳米颗粒的制备方法及微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及一种空心结构碳纳米颗粒的制备方法及微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池是利用电活性微生物将基质中的化学能直接转化为电能的理想装置，具有资源化与废弃物处置等双重功效。是一种新能源发展的重要方向，在能源危机日益加重的大背景下具有十分重要大的发展前景。现有技术大都采用铂作为微生物燃料电池的催化剂或者阴极材料，但其稳定性和耐甲醇性差以及功率密度差，因此，寻找一个替代的材料至关重要。

多孔碳材料具有比表面积大、导电性能好等特点，备受研究者关注。现有技术公开了聚吡咯纳米线为前驱体，通过使用氢氧化钾为活化剂，高温活化得到了氮掺杂的多孔碳纤维材料，该材料用作锂离子电池的电极材料具有很高的电容和很好的大电流放电能力。但是大量强碱KOH的加入，需要后处理时使用大量的酸进行中和洗涤，制备过程复杂，不利于应用。同时现有技术公开的众多模板法需要去除模板，不仅去除不容易，价格昂贵，不利于应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种空心结构碳纳米颗粒的制备方法，本发明提供的空心结构碳纳米颗粒的制备方法简单，并且用于微生物燃料电池功率密度高。

本发明提供了一种空心结构碳纳米颗粒的制备方法，包括：

A)以曲拉通TX-100为模板，苯胺、吡咯、过硫酸铵和掺杂剂反应得到掺杂的聚苯胺聚吡咯空心微球；所述掺杂剂选自氯化铁和氯化钴中的一种或几种；

B)将所述掺杂的聚苯胺聚吡咯空心微球碳化得到空心结构碳纳米颗粒。

优选的，所述掺杂剂为氯化铁。

优选的，所述苯胺、吡咯和过硫酸铵和掺杂剂的摩尔比为1：(1～2)：(0.5～2)：(0.05～1)。

优选的，所述曲拉通TX-100的质量浓度为1～5mg/mL；曲拉通TX-100与苯胺的摩尔比为(5～12)：1000。

优选的，所述反应温度为0～5℃；所述反应时间为12～24h。

优选的，所述碳化的温度为600～900℃；所述升温速率为5～10℃/min，所述碳化时间为1～2h。

优选的，所述步骤A)之后还包括清洗、干燥；所述干燥的温度为60～80℃；所述干燥的时间为6～8h。

本发明提供了一种空心结构的碳纳米颗粒，由上述技术方案所述的制备方法制备得到。

本发明提供了一种微生物燃料电池，所述阴极包括上述技术方案所述的制备方法制备得到的空心结构的碳纳米颗粒。

本发明提供了一种微生物燃料电池，所述阴极催化剂包括上述技术方案所述的制备方法制备得到的空心结构的碳纳米颗粒。

与现有技术相比，本发明提供了一种空心结构碳纳米颗粒的制备方法，包括：A)以曲拉通TX-100为模板，苯胺、吡咯、过硫酸铵和掺杂剂反应得到掺杂的聚苯胺聚吡咯空心微球；所述掺杂剂选自氯化铁和氯化钴中的一种或几种；B)将所述掺杂的聚苯胺聚吡咯空心微球碳化得到空心结构碳纳米颗粒。本发明采用苯胺、吡咯、过硫酸铵为原料，成本低廉，方法简单，无需去除模板；并且添加掺杂剂后再碳化得到空心结构碳纳米颗粒性能稳定，催化活性好，稳定性好，耐甲醇性高。同时本发明采用空心结构碳纳米颗粒制备微生物燃料电池功率密度高。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的空心结构碳纳米颗粒透射电子显微镜(TEM)；

图2为本发明实施例2制备的空心结构碳纳米颗粒透射电子显微镜(TEM)；

图3为本发明实施例3制备的空心结构碳纳米颗粒透射电子显微镜(TEM)；

图4为本发明实施例4旋转圆盘电极线性扫描曲线(LSV)；

图5为本发明实施例5微生物燃料电池功率密度随电流密度的变化曲线；

图6为本发明比较例3旋转圆盘电极线性扫描曲线(LSV)；

图7为本发明比较例4旋转圆盘电极线性扫描曲线(LSV)；

图8为本发明比较例5微生物燃料电池功率密度随电流密度的变化曲线；

图9为本发明比较例6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

本发明提供了一种空心结构碳纳米颗粒的制备方法，包括：

A)以曲拉通TX-100为模板，苯胺、吡咯、过硫酸铵和掺杂剂反应得到掺杂的聚苯胺聚吡咯空心微球；所述掺杂剂选自氯化铁和氯化钴中的一种或几种；

B)将所述掺杂的聚苯胺聚吡咯空心微球碳化得到空心结构碳纳米颗粒。