[发明专利]一种基于厌氧发酵沼渣的超薄柔性炭纳米片氧还原催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于厌氧发酵沼渣的超薄柔性炭纳米片氧还原催化剂的制备方法。该氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)以厌氧发酵沼渣为原料，惰性气体保护下，进行活化反应后冷却，再依次经过酸洗、水洗和干燥得到沼渣生物炭；(2)将步骤(1)得到的沼渣生物炭、铁的前驱体和氮的前驱体混合均匀，在惰性气体保护下，于反应容器中进行炭化反应，炭化反应后冷却至室温，炭化反应后的产物先使用盐酸浸洗，再使用去离子水水洗至洗涤液的pH为6‑7，再干燥，得到氧还原催化剂。本发明制备得到的氧还原催化剂比表面积大，性能稳定，氧还原催化剂的电化学活性优于传统的Pt/C催化剂，适用性广泛。

技术领域

本发明涉及生物炭材料的制备和微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种基于厌氧发酵沼渣的超薄柔性炭纳米片氧还原催化剂的制备方法。

背景技术

目前，随着全球气候变暖和环境污染日益加剧，亟需一种绿色，无污染的可持续发展的新能源技术。微生物燃料电池技术是一种以微生物为催化剂，将有机物中的化学能直接转换成电能的一种绿色，清洁的能源技术，受到了研究者们的青睐。然而，最具应用潜力的空气阴极微生物燃料电池的发展受限于阴极氧还原动力学慢，会造成阴极电势0.3～0.4V的损失，因此需要高活性催化剂的引入，研究表明，阴极催化剂的添加可提高氧还原反应活性，有效提高微生物燃料电池的输出功率密度。目前，常用的阴极氧还原催化剂是Pt及Pt基贵金属催化剂。

目前，Pt基催化剂的发展受限于其昂贵的价格，和较低的储量。因此，开发廉价、高效、稳定的非贵金属阴极催化剂对于微生物燃料电池的发展具有重要意义。近年来，过渡金属-氮-碳共掺杂碳材料作为一种新型的非贵金属氧还原电催化剂，具有价廉易得、催化活性高、稳定性好等特点，在燃料电池领域展现出很好的应用性，尤其是其较强的抗生物膜毒化性能，更使得其在微生物燃料电池领域具有广阔的应用前景。

厌氧发酵是在一定条件下，通过厌氧微生物的生物转化作用，将生物质中大部分可生物降解的有机物质分解，转化为能源产品——沼气的过程。在能源化产品生产的过程中还伴随副产物沼液与沼渣的产生。如果这些沼渣没有得到合理的处理，势必会造成环境负担。

沼渣的主要成分是有机质和腐殖酸，含有丰富的蛋白质，以风干物的粗蛋白质含量计算，可达10％-20％，此外它还富含N、S、P等元素，这些元素的存在恰好为高活性氧还原生物炭催化剂的制备提供了必要条件。

发明内容

本发明提供了一种基于厌氧发酵沼渣的超薄柔性炭纳米片氧还原催化剂的制备方法，本发明利用厌氧发酵副产物——沼渣，经过活化剂活化-铁氮共掺杂两步法制成生物炭基氧还原催化剂，既实现沼渣的资源化、高值化利用，又为微生物燃料电池阴极氧还原催化剂的制备提供一种新方法。

本发明的目的是提出了一种基于厌氧发酵沼渣的超薄柔性炭纳米片氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)以厌氧发酵沼渣为原料，惰性气体保护下，在450-800℃的温度下活化1-3h，升温速率为1～10℃/min，经过活化反应后冷却，再依次经过酸洗、水洗和干燥得到沼渣生物炭；

(2)将步骤(1)得到的沼渣生物炭、铁的前驱体和氮的前驱体混合均匀，在惰性气体保护下，700-1000℃进行炭化反应1～5h，升温速率为2～10℃/min，之后冷却至室温，产物经稀盐酸浸洗，再用去离子水水洗至pH值6-7，所得产物于60-80℃干燥，即可得到Fe、N共掺杂的超薄柔性炭纳米片氧还原催化剂。

优选地，步骤(1)的具体步骤为：将厌氧发酵沼渣和活化剂分散于去离子水中，所述的活化剂和厌氧发酵沼渣的质量比为1:5～5:1，室温下搅拌均匀，将充分混合后的悬浊液放入真空干燥箱烘干，将烘干后的粉末，置于真空管式炉中，在惰性气体气氛中450-800℃热处理1-3h得到热解产物，升温速率为1～10℃/min，接着将热解产物分散于稀盐酸溶液中，室温下浸渍酸洗，然后再将酸洗过的热解产物用去离子水水洗至洗涤液的pH为6-7，烘干,得到沼渣生物炭。