[发明专利]一种负载碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵及其在微生物燃料电池中的应用

说明书

本发明提供了一种负载碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵及其在微生物燃料电池中的应用。负载碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵的制备方法，包括如下步骤：(1)将钛片进行前处理；(2)将钛片作为阳极，铜片作为阴极，在电解液中以稳态电位进行阳极氧化，制备二氧化钛纳米矩阵；(3)将二氧化钛纳米矩阵于赖氨酸溶液中浸泡后干燥；(4)将二氧化钛纳米矩阵进行水热反应，得到含碳和氮的二氧化钛纳米矩阵；(5)将含碳和氮的二氧化钛纳米矩阵在N₂气氛氛围下热解，得到掺杂了碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵。本发明提出的负载碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵在作为微生物燃料电池阳极电极时，很大程度的提高微生物燃料电池的最大输出功率密度。

技术领域：

本发明涉及微生物燃料电池材料开发技术领域，具体涉及一种负载碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵及其在微生物燃料电池中的应用。

背景技术：

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种以电活性微生物为阳极催化剂催化有机废物还原直接产生电能的装置，可以在处理废水的同时产生电能。近几十年来，通过优化反应器构型、改善操作条件、采用新型电极材料和电活性菌等，MFC的功率密度得到了显著提高，但改进后的功率密度仍然不适合实际应用。电极材料，尤其是阳极材料，其作为阳极微生物的附着载体以及电子的收集体可以直接决定MFC的性能。因此，开发生物相容性好、稳定性高、电子传递效率高、成本低廉的高效阳极材料是非常有必要的。

钛、黄金、泡沫镍、不锈钢、铜和银等金属由于较强的机械强度和高导电性曾被考虑应用于MFC阳极材料。然而，黄金和银是不适合实际应用的贵金属，铜和银具有抗菌性能也不适用。另一方面，镍和不锈钢由于其良好的机械性能、耐腐蚀、良好的导电性和商用性能而被认为是多功能电极材料，但较差的生物相容性和较低的电流密度也限制了其直接使用。钛及其合金因其力学性能和耐腐蚀性而广泛应用于医疗领域，在电解工业中也常用作阳极，然而少有报道使用钛作为MFC阳极。有研究人员指出，未涂覆的钛由于钝化作用不适合用于MFC阳极材料，而通过简单热处理制备的表面富氧钛用作MFC阳极可明显的获得一定的输出电压。随后，通过原位生长制备二氧化钛纳米管作为MFC阳极，发现其相应MFC的最大电流密度提升为裸钛电极的190倍。然而，二氧化钛作为一种半导体在紫外光照射下能够灭活细菌，相应的MFC必须避光运行。因此，开发一种无需避光运行的二氧化钛阳极在实际应用中具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的是提供一种负载碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵及其在微生物燃料电池中的应用，本发明以纯度为99.9％的钛板为原料制备负载了碳和微量氮元素的二氧化钛纳米矩阵并作为微生物燃料电池的阳极电极，以提高电池性能。

本发明的一个目的是提供了一种负载碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钛片进行前处理；

(2)将步骤(1)前处理后的钛片作为阳极，铜片作为阴极，在浓度为0.5wt％的氢氟酸电解液中以稳态电位进行阳极氧化，随后将阳极氧化后的钛片进行水洗并干燥，于450℃～550℃下恒温退火处理0.5～1.5h，制备二氧化钛纳米矩阵；

(3)将步骤(2)得到的二氧化钛纳米矩阵于0.5～1.5mol/L的赖氨酸溶液中浸泡后干燥；

(4)将步骤(3)处理后的二氧化钛纳米矩阵于110℃～130℃下水热反应10～15h，实现赖氨酸的半碳化，得到含碳和氮的二氧化钛纳米矩阵；

(5)将步骤(4)处理后的含碳和氮的二氧化钛纳米矩阵在N₂气氛氛围下850℃～950℃热解1.5～2.5h，得到掺杂了碳/氮的二氧化钛纳米管矩阵。