[发明专利]一种非贵金属掺杂碳化钼析氢电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种非贵金属掺杂碳化钼析氢电极的制备方法，步骤如下：(1)将钼酸铵和非贵金属盐溶解于水中，加入苄胺搅拌；(2)调节步骤(1)得到的体系的pH至4‑6，在40‑80℃下搅拌3‑6h，过滤，将得到的沉淀清洗、干燥；(3)在惰性气体氛围下，将干燥后得到的样品进行煅烧，清洗、干燥，得到非贵金属掺杂碳化钼催化剂；(4)将非贵金属掺杂碳化钼催化剂配制成催化剂溶液，将预处理后的电极浸入所述催化剂溶液中，搅拌，干燥得到析氢电极。在非贵金属掺杂碳化钼析氢电极下，自养微生物可以更有效地从氢气中间接获得电子，避免了生物膜电子传递速率慢的缺点，从而达到提高生物电合成系统还原二氧化碳的产乙酸效率的目的。

技术领域

本发明涉及微生物电合成技术中的析氢电极及其制备方法和应用，具体涉及一种非贵金属掺杂碳化钼析氢电极及其制备方法和应用。

背景技术

微生物电合成技术(Microbial Electrosynthesis，MES)是新兴交叉学科的技术策略，该技术整合了环境学、微生物学、电化学、材料学以及分析化学等许多相关领域的关键技术。2010年，RABAEY教授在Nature杂志中对MES技术进行了系统阐述。同年，美国马塞诸塞大学的Lovley课题组通过向生长在电极表面的Sporomusa ovata供电进行CO₂还原合成乙酸等化学品的研究，首次证实了通过向电自养微生物提供电子来实现CO₂转化的可行性。MES技术是微生物利用电极上的电子作为能量来源，以CO₂作为唯一碳源，将CO₂还原成能源或精细化学品的生产过程。MES技术在进行CO₂的还原时，能够合成众多的生物制品(甲烷、乙酸、乙醇等)。

MES的装置通常是由质子交换膜分隔的阳极室和阴极室组成。阳极室内设有阳极电极，阳极室中主要发生的是水的氧化反应，生成O₂、H⁺与电子。电子通过导线从阳极传导到阴极室，H⁺透过质子交换膜渗透到阴极室。阴极室的生物催化剂从阴极电极上获得电子，从阴极液中获得质子，从而将CO₂还原为多碳有机化合物。在该过程中，通常需要借助电化学工作站给阳极和阴极施加一定的电位，来保证生物还原CO₂的反应不断进行。

目前，普遍研究认为MES系统中电活性微生物与电极之间存在间接传递和直接传递两种电子传递机制。直接电子传递是指电活性微生物利用自身所固有的特殊结构(鞭毛)、分泌物介体直接与电极进行电子传递；间接电子传递是指电活性微生物利用阴极液中的电子介体获得电子的方式，如氢气，中性红、甲基紫精等。然而，微生物直接从电极上获得电子速率较慢，无法获得足够电子还原CO₂，而通过电解水产氢的间接电子方式可以帮助微生物获得电子，因此，氢气产生的速率是影响微生物电合成产化学品的重要因素。

一直以来贵金属铂被认为是最有效的析氢催化剂，但其昂贵的价格以及易中毒失活的特性限制了其大规模的应用。而碳化钼是一类具有高硬度、高熔点、良好热稳定性和抗腐蚀性的新型功能材料。碳化钼在许多方面与铂贵金属相似，在析氢活性上表现出较高的催化活性和稳定性。纯的碳化钼有着较强的Mo-H键，涉及到大量高密度的未占据d轨道，限制了析氢反应的速率。

发明内容

发明目的：为了解决现有碳化钼析氢电极析氢反应速率低的问题，本发明第一方面提供了一种非贵金属掺杂碳化钼析氢电极，第二方面提供了非贵金属掺杂碳化钼析氢电极的制备，第三方面提供了非贵金属掺杂碳化钼析氢电极的应用。

技术方案：本发明第一方面提供一种非贵金属掺杂碳化钼析氢电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钼酸铵和非贵金属盐溶解于水中，然后加入苄胺，搅拌2-4h；

(2)使用盐酸调节步骤(1)得到的体系的pH至4-6，在40-80℃下搅拌3-6h，过滤，将得到的沉淀清洗、干燥；