[发明专利]一种微生物电芬顿燃料电池用聚苯胺阴极材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种微生物电芬顿燃料电池用聚苯胺阴极材料的制备方法及应用，它是通过两步电沉积法在碳刷上制备具有纳米网状结构的聚苯胺，再经过碳化和活化后得到性能优异的无金属电极，用于生物电‑芬顿阴极。该材料可以克服金属浸出问题，避免了二次污染的固有缺点。这种阴极合成工艺还易于操作，不含粘合剂且不含有毒化学物质，这使其可扩展，经济高效，安全且环保。将微生物燃料电池与电芬顿结合成一个体系，降解偶氮染料甲基橙废水，处理效果好，系统能耗低，且操作简便。

技术领域

本发明属于绿色能源与环境工程技术领域，具体涉及到一种微生物电芬顿燃料电池用聚苯胺阴极材料的制备方法及应用。

背景技术

目前偶氮染料早已被广泛采用，由于其本身具有高化学需氧量和独特的色度，再加上其在生产的过程中还会排污，造成严重的环境问题。并且由于其分解得到的芳香胺具有的致癌性和致畸性，同样对人类健康构成严重的威胁。虽然已经有了一系列方法来处理偶氮染料废水，然而，高成本、不完全偶氮染料降解、二次污染和高能耗，这需要发展更经济和环保的策略来处理偶氮染料废水。

由于环境友好性和矿化效率高，基于强氧化剂和非选择性氧化剂的电化学高级氧化工艺（EAOP）在近年来被广泛研究用于降解难溶有机污染物的技术。作为 EAOP 之一的电芬顿（e-Fenton）工艺被认为是一种很有前途的技术，它是在阴极上由双电子氧化还原反应（2e–ORR）原位生成 H₂O₂。与金属催化剂反应生成羟基自由基。对于 e-Fenton 工艺，通常使用溶解的亚铁盐作为铁催化剂，使H₂O₂活化为羟基自由基。然而，造成二次污染的铁渣的分离和处置是一项重大挑的难题。虽然已经通过开发有效的非均相类Fenton 催化剂，人们做出了巨大的努力来克服这一问题，但是很难完全克服金属浸出问题。因此，无金属催化剂将是一个很好的方向。

微生物电芬顿燃料电池是一种绿色的产电技术，利用阳极微生物分解有机物产生电子与质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流，将化学能转换为电能，质子则是通过质子交换膜到达阴极，缺点是目前产电效率较低，因此，在低电压下拓宽微生物电芬顿燃料电池的应用范围就显的非常必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种微生物电芬顿燃料电池用聚苯胺阴极材料的制备方法，本发明制备的聚苯胺阴极材料具有催化活性高，克服金属浸出问题等优点，这种新颖的阴极材料合成工艺还易于操作，较为安全且环保；并且将其应用于微生物电芬顿燃料电池芬顿体系，以偶氮染料甲基橙作为污染物，表现出优异的降解性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种微生物电芬顿燃料电池用聚苯胺阴极材料的制备方法，它包括以下步骤：

第一步 聚苯胺在碳刷上的电沉积

S1: a.碳刷的预处理：首先用丙酮对碳刷材料进行浸泡，浸泡时间7-12h,接着于450-500℃煅烧0.5-1h；

b.循环伏安法电沉积：将预处理后的碳刷在浸入电解液中超声处理 5-10min，其中电解液以摩尔质量浓度计由以下成分组成：0.1 mol/L 苯胺、 0.5mol/L H2SO4，溶剂为水；然后在电解液中进行循环伏安法扫描，先在–0.2 至 1.2 V 的电位范围中进行 1个循环的循环伏安法，扫描速率 10 mV s–1 ；再在–0.2 至 0.8 V 的电位范围中进行 0-14个循环的循环伏安法，扫描速率仍为10 mV s–1；使用三电极体系，预处理后的碳刷作为工作电极；铂网电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极；

S2:沉积结束后用去离子水洗涤聚苯胺纳米纤维涂层的碳刷，该碳刷材料标记为PANI/CB，并在 60-65℃下干燥10-12h；

第二步 聚苯胺衍生的氮掺杂碳纳米纤维的碳化与活化