[发明专利]负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜及其应用

说明书

本发明提供了一种负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜及其应用，利用MOF基原位衍生单原子催化剂的原理，以聚酰亚胺为炭膜前驱体，将制备好的MOF前体、导电纳米材料混合并分散到有机溶剂当中，然后将上述溶液加入聚酰胺酸溶液，并在玻璃板上刮涂成MOF聚酰胺酸杂化膜；最后，利用程序升温法在惰性气体氛围下进行碳化，碳化过程中MOF中的金属离子原位热解还原为单原子催化剂，聚酰胺酸则先转变为聚酰亚胺然后再进一步形成炭膜。本发明制备机械性能高、耐化学腐蚀、稳定性高、ORR活性高的导电阴极催化膜。用于EMBR系统、微生物燃料电池系统、电催化系统中，适用于高浓度难降解有机工业废水膜处理。

技术领域

本发明属于高分子聚合物/单原子催化剂功能复合材料构造和应用领域以及污水净化与废水资源化利用技术领域，尤其涉及一种适用于高浓度难降解有机工业废水膜处理的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜，提供一种提高碳基微生物燃料电池催化活性的膜电极及其制备方法。

背景技术

水是一切生命的源泉，同时也是发展国民经济不可或缺的重要资源。随着我国工业化进程的快速发展，越来越多的有机化合物被广泛应用于人类的生产或生活，伴随而来的是大量的有毒有害有机污染物进入到水体当中，尤其是印染、化工、制药、有机合成等工业生产会排放大量的难降解有机废水。高浓度难降解有机废水污染已经升级成为严重的环境问题，也是目前环境领域研究的热点与难点。这类废水的主要特征是成分复杂、污染物浓度高、色度高、毒性大、可生化性差。采用常规的生化方法处理，很难达到满意的处理效果，尤其对于难降解有机物的去除效果差，处理后COD含量仍然较高，出水水质差；另外，简单的物化法作为预处理和后续处理工艺，所需条件苛刻，同时存在投加药剂、运行成本高及二次污染的问题；此外，目前研究的一系列高科技处理实验设备要求高、成本高，不切合工业化生产，不适宜大宗废水的处理。所以，为解决水污染的问题，开发经济有效的难降解有机废水处理新材料、新技术势在必行。

目前，解决难降解有机工业废水问题主要是从提高废水可生化性和降低成本的角度着手，改进废水处理的原有方式。另一方面，污水中的有机物中蕴含着大量的化学能，从能量的角度分析，如何在污水净化的过程中实现资源化利用将是环境技术发展的新方向。

生物电化学系统作为一种利用电化学活性微生物氧化分解污染物并产生电能的反应器，是一种新型的污水处理及能源回收技术。可以直接将污水中有机物的化学能转化为电能，避免能量多级传递产生损失，在水处理和能量回收领域存在巨大潜力，近年来也受到了环境及能源领域众多学者的广泛关注。

膜分离技术在近几十年得到了迅猛的发展和广泛的应用，目前已经成为解决环境污染及能源问题的重要手段。它具有高效、节能、设备紧凑、过程易控制、操作方便、环境安全、便于放大、易与其他技术集成等优点。膜生物反应器(MBR)是将膜技术与生物技术相结合的一种先进的废水处理方法，主要是先利用生物技术去除水中可生物降解的有机污染物，然后利用膜技术过滤悬浮物和水溶性大分子物质，降低水浊度，起到生化处理和反渗透处理的双重作用。MBR具有处理效率高、占地面积小、自动化程度高等优点，是21世纪最具有发展前景的污水处理和中水回用技术。

为了强化MBR对污水中有机物的去除，有研究者尝试将膜分离技术与生物电化学系统进行耦合。电辅助膜生物反应器(EMBR)是将微生物燃料电池(MFC)和膜生物反应器耦合到一起，在废水处理的同时可以产电，不仅可以利用微生物代谢作用降解有机污染物，而且可利用微生物的无氧呼吸作用，分解为二氧化碳、电子和质子，电子由外电路传递至阴极，产生电势差，形成电流，使阴极和带负电的活性污泥、胶体等产生近静电排斥力，从而控制膜污染；另外，这种利用微生物在温和的环境下将有机物的化学能以电能的形式进行回收、利用的方式具有巨大的潜能，对今后可持续能源与处理环境问题有着重要的现实意义。目前，已经有学者对该种耦合技术进行研究，如申请号为201210081071.X的专利文件公开了一种“一种直接耦合生物反应器和微生物燃料电池的反应器和废水处理方法”，将导电材料作为膜生物反应器的过滤介质，同时作为微生物燃料电池的阴极，实现MBR和MFC的直接耦合，可以实现较好的出水水质以及膜污染的控制，说明该耦合技术具有较好的发展前景。