[发明专利]一种提升产电的酞菁铁过滤阴极膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种提升产电的酞菁铁过滤阴极膜的制备方法，将聚酰亚胺、聚醚酮或聚醚酰亚胺中的一种和成膜亲水改性剂在二氯甲烷溶液中溶解，静置得到脱除气泡的均相溶液；将活性炭、导电材料以及一种酞菁铁金属配合物混合，与均相溶液混匀超声制成一种掺杂酞菁铁过滤阴极膜。酞菁结构存在18π电子的共轭体系，电子会加快氧还原反应中电子的转移，提高阴极膜的导电性和电流密度，有利于提高氧还原催化稳定性，比传统MFC相比，掺杂酞菁铁过滤输出功率提高1‑2数量级，功率输出效率提高20％‑30％。掺杂酞菁铁过滤阴极膜起到截留和过滤的作用，进一步提高MFC系统出水效果。

技术领域

本发明涉及一种适用于微生物燃料电池(MFC)的掺杂酞菁铁阴极膜的制备方法。

背景技术

随着人类社会的迅速发展，以水污染为主的环境问题已逐渐成为限制我国社会发展的重要因素，日益增长的污水排放量不仅加大处理负荷，也对饮水水质安全造成威胁。当前人们对水质的要求有所提高，污水处理将消耗更多能量，因此急需开发新型低耗的污水处理技术。微生物燃料电池(MFC)作为一种新型的污水处理及能源回收技术，能够实现污水中有机物的直接氧化并产生电能，现有的好氧生物处理工艺会产生了大量难以处理的污泥，污泥量约为COD总量40％，MFC产生污泥量大大降低，节省废水处理费用。常见的MFC由厌氧生物阳极和阴极膜组成，污水中的有机物在阳极厌氧产电微生物的作用下被分解，与此同时释放出的电子形成电流，实现污水处理和同步产电。

阴极膜作为MFC的重要组成部分之一，以O₂作为常见的阴极膜电子受体的氧还原反应(ORR)，由于阴极膜电子、质子以及O₂的三相反应难以控制，且氧还原反应过电位较高，通常需要催化剂促进阴极膜反应。目前商业化的氧还原催化剂仍以铂系贵金属材料为主，受其储量少、价格高等因素限制，使MFC的应用受到极大的限制。导致MFC系统产能效率较低，输出平均功率为300-450mW m^–2，MFC功率密度比当前燃料电池产能低1-2个数量级。同时MFC系统出水水质较差，COD一般在100mg L^–1以上，因此，同步提高微生物燃料电池的产能效果和出水水质是MFC的重要研究方向。

自1964年Jasinski发现酞菁具有氧还原催化活性开始，基于酞菁铁化合物的ORR催化剂的研究进展迅速。酞菁金属衍生物由于具有特殊的氧还原性质，在电化学领域得到极大的关注。酞菁(Pc)是大环的有机化合物，环内有一个能够容纳金属元素的空穴，大环上有一个大π键，在大π键上的电子密度分布均匀，这种结构对于反应有着十分优越的效果。同时环内空穴可使金属离子络合，形成金属酞菁衍生物。然而金属酞菁铁化合物在电化学反应的稳定性远远不够，尤其是催化过程中的脱金属反应，可能直接导致催化失活。

因此需要为酞菁铁(FePc)的掺杂寻找一种优良的电催化载体，解决酞菁铁催化剂稳定性差的问题，从而提升酞菁铁催化阴极膜的氧还原性能，达到MFC系统整体产电效果提升的目的。同时传统空气阴极膜性能单一，MFC出水水质效果较差，因此需要开发一种兼具过滤截留和电催化双重特性的过滤阴极膜，出水通过阴极膜截留作用，进一步提升MFC出水水质。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一种提升产电的酞菁铁过滤阴极膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)在温度为35℃～40℃下将聚酰亚胺、聚醚酮或聚醚酰亚胺中的一种和成膜亲水改性剂在二氯甲烷溶液中溶解，用锡纸包裹，避光搅拌7-9h，并静置8-9h得到脱除气泡的均相溶液。所述聚酰亚胺、聚醚酮或聚醚酰亚胺中的一种与成膜亲水改性剂的质量比为2.5:(1～2)，所述的聚酰亚胺、聚醚酮或聚醚酰亚胺中的一种与二氯甲烷的质量比为1:(7～9)；

(2)将活性炭、导电材料以及一种酞菁铁金属配合物按照质量比12:2:1～12:2:4混合，混合后的材料与步骤(1)中已脱除气泡的均相溶液按照质量比8:1～7:1混匀超声40-50min制成导电膜液；