一種氮摻雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源和新材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種復(fù)合材料的制備方法及其在 微生物燃料電池陰極中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 微生物燃料電池（Microbial化elcells,MFCs)是微生物與燃料電池技術(shù)相結(jié) 合的產(chǎn)物，其基本原理是有機(jī)物在陽極室厭氧環(huán)境下被微生物氧化分解后釋放出電子和質(zhì) 子，電子依靠合適的傳遞介質(zhì)在生物組分和陽極之間進(jìn)行有效傳遞，并通過外電路傳遞到 陰極，而質(zhì)子通過電解液傳遞到陰極，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原，同時(shí) 與質(zhì)子結(jié)合成水，最終達(dá)到產(chǎn)生電流的效果。由于MFCs在處置有機(jī)廢棄物的同時(shí)產(chǎn)生清潔 的電能，因此其被視為一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的新能源技術(shù)。
[0003] 在MFCs技術(shù)中，陰極反應(yīng)是影響電能輸出的重要環(huán)節(jié)，因此，選擇合適的陰極電 子受體及其相應(yīng)的陰極催化劑便成為了大幅提高M(jìn)FCs輸出功率的關(guān)鍵。目前，空氣（氧 氣）因其簡單易得，成本低廉的特性而作為陰極電子受體得到普遍使用，然而，針對(duì)陰極的 氧還原反應(yīng)會(huì)因?yàn)閯?dòng)力學(xué)因素的影響而不能保持長期穩(wěn)定的功率輸出，因此，為了維持發(fā) 生在陰極的反應(yīng)持續(xù)高效的進(jìn)行，選擇高效穩(wěn)定的陰極催化劑對(duì)反應(yīng)進(jìn)行催化就顯得尤為 重要。多年W來，貴金屬銷（Pt)被認(rèn)為催化氧還原反應(yīng)最為高效和穩(wěn)定的催化劑。但Pt 的昂貴價(jià)格W及稀缺的資源嚴(yán)重限制了其在氧還原催化劑方面的應(yīng)用。因此，尋找催化高 效、成本低廉的氧還原催化劑成為微生物燃料電池研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。
[0004] 近年來，含氮碳材料，由于其優(yōu)異的電催化活性，低廉的成本，對(duì)環(huán)境友好W及持 續(xù)而高效的特點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是一種頗具潛力的非金屬電催化劑（文獻(xiàn)Science，2009， 323,760-764;JournaloftheAmericanQiemicalSociety, 2011,133,20116-20119)。其 中，石墨相氮化碳（S-CsNa)是一種典型的富含氮元素的非金屬碳材料，具有類石墨結(jié)構(gòu)，是 碳氮化合物中最穩(wěn)定的同素異形體。S-CsNa已經(jīng)被證明能夠?qū)ρ踹€原反應(yīng)等表現(xiàn)出優(yōu)異的 催化活性（文獻(xiàn)化ergy&EnvironmentalScience, 2012, 5,6717-6731)，原因主要在于其具 有豐富的化晚氮活性組分。然而，由于S-CsNa受到較差電導(dǎo)能力和低比表面積的影響，其作 為陰極催化劑的應(yīng)用會(huì)不可避免的受到制約。 陽0化]碳納米管由于其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、高的比表面積、良好的導(dǎo)電性、顯著的力學(xué)、電 化學(xué)等，使其在諸多領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。近年來，通過對(duì)碳納米管進(jìn)行氮滲雜，W提 高碳納米管的應(yīng)用性能，成為碳納米管合成和應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。對(duì)碳納米管進(jìn)行 氮滲雜不僅改善了其水分散性，而且氮滲雜原子能夠改變碳納米管局部電荷密度，提高碳 納米管的電子傳遞性，降低電阻系數(shù)。最近有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過氮元素滲雜過的碳納米管在 堿性或者酸性介質(zhì)中具有很強(qiáng)的氧還原催化活性，其用作燃料電池陰極氧還原反應(yīng)非金屬 催化劑的應(yīng)用前景十分廣闊（文獻(xiàn)化化re, 2009, 323, 760-764!JournaloftheAmerican ChemicalSociety, 2010, 132, 15839-15841)。目前，氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料作 為陰極氧還原催化劑應(yīng)用于含有中性介質(zhì)的MFCs技術(shù)尚未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料的制備方法，具有工 藝簡單、成本低廉、周期短、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種上述氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料的用途。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0009] 一種氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料的制備方法，包括W下步驟：
[0010] 將氮滲雜碳納米管與固態(tài)單氯胺粉末研磨混合，將混合后的氮滲雜碳納米管/單 氯胺粉末般燒反應(yīng)，然后分別用乙醇和超純水洗涂后離屯、、干燥，得到氮滲雜碳納米管/氮 化碳復(fù)合材料。
[0011] 所述氮滲雜碳納米管與單氯胺的質(zhì)量比為1:10~1:100。
[0012] 所述研磨混合的時(shí)間為0. 5~1.化。
[0013] 所述般燒反應(yīng)的溫度為450~600°C，時(shí)間為1~化。
[0014] 一種上述制備得到的氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料在微生物燃料電池中的 用途。
[0015] 一種上述氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料制備催化電極的方法，包括W下步 驟：
[0016] 將氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料、導(dǎo)電材料W及粘結(jié)劑混合，向混合物中加 入溶劑混合均勻，超聲分散，然后將超聲混合物均勻地涂敷在導(dǎo)電基底上，自然風(fēng)干，得到 氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料催化電極。
[0017] 所述氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料、導(dǎo)電材料W及粘結(jié)劑的質(zhì)量比為 10: (15 ~48) : (32 ~98)，優(yōu)選為 10:31:63。
[001引所述導(dǎo)電材料為炭黑、活性炭或石墨。
[0019] 所述粘結(jié)劑為聚四氣乙締（PT陽）或者5 %化fion溶液。
[0020] 所述溶劑為異丙醇。
[0021] 所述超聲分散的時(shí)間為20~40min。
[0022] 所述導(dǎo)電基底為碳纖維布或者碳紙。
[0023] 所述自然風(fēng)干的時(shí)間為20~30小時(shí)。
[0024]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有W下特點(diǎn)：
[00巧]本發(fā)明的方法具有工藝簡單、成本低廉、周期短、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可W適用于工 業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，最終形成的氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料催化電極與常規(guī)Pt/c為陰 極催化劑組裝的微生物燃料電池相比，輸出功率更高，運(yùn)行穩(wěn)定性更佳，并且易于制備，價(jià) 格低廉，為微生物燃料電池的商業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)；氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料 催化電極的催化性能穩(wěn)定性高、活性強(qiáng)，可利用其代替貴金屬銷用作微生物燃料電池陰極 催化劑。
【附圖說明】
[00%]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的氮滲雜碳納米管/氮化碳復(fù)合材料的SEM形貌圖。
[0027] 圖2為空氣陰極單室MFCs的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖3為空氣陰極雙室MFCs的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0030] 本發(fā)明提供的微生物燃料電池包括兩種結(jié)構(gòu)：空氣陰極單室微生物燃料電池 (MFCs)和空氣陰極雙室MFCs。
[0031] 空氣陰極單室MFCs的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2為空氣陰極單室MFCs的結(jié)構(gòu)示意圖。 包括進(jìn)口 1、出口 2、陽極3、陰極4和外電路5 (外電路為已知技術(shù)）。陽極3為石墨纖維刷， 外電路為1000歐姆電阻15。MFCs基質(zhì)溶液由W下物質(zhì)組成：pH7. 0的0. 05mol/L憐酸鹽 緩沖溶液、0. 31g/L的氯化錠溶液、0. 13g/L的氯化鐘溶液、12. 5mL的微量元素溶液、12. 5mL 的維生素溶液W及Ig/L的乙酸鋼溶液作為燃料（文獻(xiàn)Appliedand化viro皿entalMicr obiology, 1998, 54, 1472-1480)。 陽03引空氣陰極雙室MFCs的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括進(jìn)口 6、出口 7、陰