CN102104154B - 含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于催化剂制造技术领域的一种含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂的制备方法。该方法利用乙二胺四乙酸二钠的络合性，与过渡金属形成稳定的螯合物，在高温还原气体条件下形成氧还原的催化活性中心，制成含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂。本发明的方法成本较低，制备工艺简单，催化剂具有较大的比表面积，活性高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于催化剂制造技术领域，具体涉及一种含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂的制备方法。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是一种利用微生物的催化氧化作用，将燃料中的化学能转化为电能的电化学装置。利用微生物燃料电池的原理，可以在净化污水的同时回收电能，因此作为一种节能型的污水处理新技术，近年受到了越来越多的关注，并具有良好的应用前景。微生物燃料电池主要由阳极、阴极和分隔材料构成，阴极对微生物燃料电池体系的性能影响很大。利用空气中的氧气作为电子受体具有较大的成本优势和实用价值。目前，微生物燃料电池中常用的阴极氧还原催化剂为金属铂。然而，铂价格昂贵，限制了微生物燃料电池的实际使用。所以，开发高效廉价的氧还原催化剂是微生物燃料电池研究的重要方向。前期研究发现，MnO2和PbO2等金属氧化物是来源广泛、价格低廉的氧还原催化材料，但其催化活性不高。酞菁铁和四甲基苯卟啉钴等大环过渡金属螯合物虽具有较好的氧还原性能，但其制备工艺复杂且大环化合物价格仍然很昂贵。近期研究发现，大环结构在高温条件下会分解，最终起到氧还原催化作用的是以过渡金属为中心的N4结构。故，寻求廉价含氮络合剂，并以不同的过渡金属原子为中心作为氧还原催化剂的研究受到了关注。
关于微生物燃料电池阴极催化剂的中国专利截至目前仅有一项(专利名称：二氧化锰在制备微生物燃料电池阴极中的应用，专利号：200810198453.4)。还未出现与含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂相关的专利技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种催化性能高、成本低、工艺简单、稳定性好的应用于微生物燃料电池阴极的氧还原催化剂的制备方法。
一种含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)催化剂螯合剂制备：将过渡金属盐和乙二胺四乙酸二钠分别加入水中溶解，形成过渡金属螯合剂；
(2)加入催化剂载体：向混合液中加入活性碳粉，搅拌混匀，制成悬浮液；
(3)催化剂前躯体制备：将悬浮液去水干燥，制成前躯体；
(4)催化活化过程：将制得的前躯体在高温还原气体中进行热解活化，即制得碳粉负载的含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂。
所述过渡金属盐为FeCl3、CoCl2或CuCl2；所述还原气体为氩气或氮气。
所述过渡金属盐与乙二胺四乙酸二钠的摩尔比为1∶1；所述含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂中金属的含量为碳粉质量的10-30％。
本发明的有益效果：采用EDTA作为络合剂，成本较低，制备工艺简单；催化剂具有较大的比表面积，活性高，稳定性好；运用线性扫描伏安法等电化学方法的测试表明，制得的含氮过渡金属具有较高的氧还原催化活性。
附图说明
图1为添加不同过渡金属盐(FeCl3、CoCl2、CuCl2)制得的含氮过渡金属催化剂(FeEDTA/C、CoEDTA/C、CuEDTA/C)和传统铂催化剂(Pt/C)在富氧条件和50mM磷酸缓冲溶液中的氧还原性能比较；
具体实施方式
下面以结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：
实例1：先称取540mg FeCl3·6H2O于烧杯中，加入20ml去离子水，待充分溶解后，再加入696mg EDTA-2Na，边加边用玻璃棒不断搅拌。称取500mgVulcan XC-72活性碳粉，加入混合液中，充分搅拌，并超声半小时，使其混合均匀。然后将烧杯放入水浴锅中在80℃下加热干燥。最后将黑色固体粉末放入管式炉中，在800℃氩气还原气氛下高温热解1.5小时。经研磨后即得FeEDTA/C催化剂。
实例2：先称取476mg CoCl2·6H2O于烧杯中，加入20ml去离子水，待充分溶解后，再加入696mg EDTA-2Na，边加边用玻璃棒不断搅拌。称取500mgVulcan XC-72活性碳粉，加入混合液中，充分搅拌，并超声半小时，使其混合均匀。然后将烧杯放入水浴锅中在80℃下加热干燥。最后将黑色固体粉末放入管式炉中，在800℃氩气还原气氛下高温热解1.5小时。经研磨后即得CoEDTA/C催化剂。
实例3：先称取342mg CuCl2·4H2O于烧杯中，加入20ml去离子水，待充分溶解后，再加入696mg EDTA-2Na，边加边用玻璃棒不断搅拌。称取500mgVulcan XC-72活性碳粉，加入混合液中，充分搅拌，并超声半小时，使其混合均匀。然后将烧杯放入水浴锅中在80℃下加热干燥。最后将黑色固体粉末放入管式炉中，在800℃氩气还原气氛下高温热解1.5小时。经研磨后即得CuEDTA/C催化剂。
实施例1-3所制得的含氮过渡金属在富氧条件和50mM磷酸缓冲溶液中具有较高的氧还原催化活性(如图1所示)。
Claims (1)
1.一种含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）催化剂螯合剂制备：将过渡金属盐和乙二胺四乙酸二钠分别加入水中溶解，形成过渡金属螯合剂；
（2）加入催化剂载体：向混合液中加入活性碳粉，搅拌混匀，制成悬浮液；
（3）催化剂前躯体制备：将悬浮液去水干燥，制成前躯体；
（4）催化活化过程：将制得的前躯体在高温氮气中进行热解活化，即制得碳粉负载的含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂；
所述过渡金属盐为FeCl3、CoCl2或CuCl2；
所述过渡金属盐与乙二胺四乙酸二钠的摩尔比为1：1；所述含氮过渡金属微生物燃料电池催化剂中金属的含量为碳粉质量的10-30%。
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