[发明专利]一种掺杂普鲁士蓝氧还原性阴极膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种掺杂普鲁士蓝提高氧还原性能的阴极膜制备方法。将聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜中的一种和有机高分子成膜造孔剂混合，在N，N‑二甲基乙酰胺溶液中溶解静置得到脱除气泡的均相溶液；将聚吡咯、聚苯胺和普鲁士蓝按照质量比8:1:1～8:1:2混合，混合后的材料与已脱除气泡的均相溶液按照质量比(0.3～0.4g):1mL,混匀超声30‑40min制成导电膜液；将涂有导电膜液的不锈钢网浸入到一种去离子水浸泡，使膜成型，得到一种掺杂普鲁士蓝阴极膜。掺杂普鲁士蓝阴极膜电导率最高为18.4ms cm^‑1，与空白阴极9.9ms cm^‑1的电导率相比提高了86％。

技术领域

本发明涉及一种掺杂普鲁士蓝提高氧还原性能的阴极膜制备方法。

背景技术

废水是一种潜在的能源物质，所含潜在能量是处理污水能耗的10倍左右，全球每日产生的污水潜在能量约相当于一亿吨标准燃油，污水潜在能量开发可解决社会总电耗的10％，因此，在解决废水处理问题的同时，实现高品位的水质回收和能量的利用成为当前水处理领域的难题。

微生物燃料电池技术(MFC)能够利用微生物的厌氧催化作用将废水中可生化降解物质中的化学能转化为电能，实现污水的处理与电能同步回收。该系统主要由阳极、阴极组成。其中，阳极区微生物降解底物，同时产生质子和电子，质子在溶液中扩散到阴极表面，电子经由外电路最终到达阴极从而形成完整的电池回路。微生物燃料电池技术因其受温度影响小、运行条件限制因素少等原因，具有广阔的发展空间，是近年来的环境工程领域的研究热点之一。

阴极性能是制约MFC输出功率的关键因素，对于阴极而言，电极要有良好的催化活性、高的氧传递效率和高效的氧还原速率。常用的阴极催化剂是活性炭，但是阴极电子受体氧气在碳材料表面的还原速率较低，会导致较高的活化损失和较高的过电势，目前微生物燃料电池发电效率仅在40％～50％，缓慢的阴极反应动力学，造成阴极电势降低300～400mV。理论上，阴极电位越高，阳极电位越低，MFC输出电压值则高。因此在MFC耦合体系中，开发一种具有高效催化性能且运行稳定的阴极膜，有利于提高系统能源输出及废水处理效果。

普鲁士蓝拥有类似于沸石的立面心立方晶格结构，是一种具有高孔隙、高比表面积的多孔催化材料，有利于暴露催化活性中心。同时由于它具有良好的电化学性能、导电性等特性。因此，本研究在传统的阴极膜中添加普鲁士蓝，能够有效减少阴极的电荷转移阻力，提高阴极氧还原催化反应速率，MFC系统输出功率提高，实现清洁能源的高效回收。

发明内容

本发明提供了一种掺杂普鲁士蓝氧还原性阴极膜的制备方法。普鲁士蓝具有优异的电化学可逆性、高度的稳定性、易制备等优点，通过在阴极膜中掺杂普鲁士蓝，改善阴极膜的导电性，有效减少阴极的电荷转移阻力，提高阴极氧还原催化反应速率，进而提高MFC系统输出功率，解决MFC系统氧还原活化损失高的问题。为了解决现有技术的问题，本发明提出一种掺杂普鲁士蓝阴极膜的制备方法，按照以下步骤进行：

本发明的技术方案如下：

一种掺杂普鲁士蓝氧还原性阴极膜的制备方法；包括如下步骤：

(1)在温度为30℃～35℃下，将聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜中的一种和有机高分子成膜造孔剂按照一定质量比混合，在N，N-二甲基乙酰胺溶液中溶解，用锡纸包裹，避光搅拌5-7h，并静置6-7h得到脱除气泡的均相溶液；将聚吡咯、聚苯胺和普鲁士蓝按照质量比8:1:1～8:1:2混合，混合后的材料与已脱除气泡的均相溶液按照质量比(0.3～0.4g):1mL,混匀超声30-40min制成导电膜液；

(2)按照步骤(1)导电膜液中活性炭粉负载量25～27mg cm^–2，将步骤(2)中所制得的导电膜液用抹刀均匀涂抹在有效面积7cm²的不锈钢网单面；

(3)将步骤(2)中涂有导电膜液的不锈钢网浸入到一种去离子水浸泡20-30min，使膜成型，得到一种掺杂普鲁士蓝阴极膜。