CN106207239A - 一种氮掺杂多孔碳的合成方法及其在微生物燃料电池阳极方面的应用 - Google Patents

一种氮掺杂多孔碳的合成方法及其在微生物燃料电池阳极方面的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳N‑C的合成方法及其在微生物燃料电池阳极方面的应用。该方法包括以下步骤：以三聚氰胺为氮源，以柠檬酸钠为碳源，三聚氰胺和柠檬酸钠按一定比例混合研磨，在惰性气体Ar中800oC条件下煅烧5h，成功制备出氮掺杂多孔碳N‑C的微生物阳极材料。本发明的优点是：掺杂多孔碳N‑C作为微生物燃料电池阳极一方面利于阳极中产电微生物的附着，另一方面降低了阳极活化过电势，可使微生物燃料电池的产电功率密度得到显著提高。

Description

一种氮掺杂多孔碳的合成方法及其在微生物燃料电池阳极方 面的应用
技术领域
本发明涉及一种氮掺杂多孔碳的合成方法及其在微生物燃料电池阳极方面的应用。
背景技术
由于全球化石能源短缺以及由化石能源开采和使用过程中对环境造成巨大危害，因此探索可再生环境友好型新能源迫在眉睫。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs）作为一个崭新且富有挑战的领域，是一个能够实现能量转换并具有产能的装置。它可将复杂有机生物质中蕴含的化学能直接转化成电能（即实现有机水处理，又将废水中的有机质能量转化成可利用的电能），因此引起全世界的广泛关注，近十年取得了较快的研究进展。然而，因此，微生物燃料电池还远远难以满足实际生产或生活电源的要求，为使MFCs的产电功率和输出电压得到提升，以下关键技术有待解决：反应器构型、接种物来源、底物种类、质子交换膜及电极材料等。其中，阳极电极材料作为产电微生物附着的载体，不仅影响阳极微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。目前微生物燃料电池阳极普遍使用传统碳材料，主要包括石墨棒、石墨毡、碳纸、碳布、泡沫碳、碳刷和石墨泡沫等。碳材料虽然有较好的导电性，有利于电子的传导，但碳元素表面能态较高，容易失去电子表现还原性，若电子要跃迁到碳电极上，则通常要较高的能量，造成较大的阳极活化过电势。通过对碳材料进行表面预处理、修饰[4]，或者选择不同的阳极材料，一方面可以降低电极表面能态，从而减少电池中阳极反应的活化过电能，降低电位损失；另一方面增加微生物的附着量以及生物相容性，提高输出功率。因此对阳极材料的修饰研究是提高为生物燃料电池功率的关键。
根据已有报道，通过掺杂氮、硼、磷、硫以及齒族元素等可提高碳基材料的催化活性，其中氮掺杂碳材料尤其被广泛研究。为了提高掺氮碳基材料的性能，我们以柠檬酸钠为碳源，三聚氰胺为氮源，发明了一种氮掺杂多孔碳N-C，因其具有较好的生物相容性及较大的比表面积，一方面利于阳极中产电微生物的附着，另一方面降低了阳极活化过电势，可使微生物燃料电池的功率密度得到显著提高。
发明内容
本发明涉及氮掺杂多孔碳的合成方法及其在微生物燃料电池阳极方面的应用，目的在于提供一种微生物氧化催化剂，提高微生物降解有机物的能力，并能产生较高的电能。达到既能有效降解污水中的有机物，而且提供的电能供应其他领域的需要。
一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法及其在微生物燃料电池阳极方面的应用，包括以下步骤：
（1）氮掺杂多孔碳N-C的合成：以柠檬酸钠为碳源，以三聚氰胺为氮源，按不同的比例混合研磨，分别放入瓷盅里在管式炉中煅烧，从常温，以5℃/min升温到800℃，在800℃下保持5h。自然冷却至室温。取出后为黑色多孔状固体，再次研磨，待用。
（2）氮掺杂多孔碳N-C杂质的去除：将（1）中最终生成的复合物依次用稀盐酸、去离子水冲洗，过滤，80℃真空条件下干燥12h，即得到氮掺杂多孔碳N-C材料。
(3)氮掺杂多孔碳N-C材料在微生物燃料电池阳极方面的应用：氮掺杂多孔碳N-C材料与相应的溶剂和粘接剂混合制作成浆液涂到长宽为2*1cm碳布上制作成微生物燃料电池阳极，与普通没有涂合成材料的碳布一起组装到微生物燃料电池阳极室。用普通碳刷作为微生物燃料电池阴极，与质子交换膜一起搭建成H型微生物燃料电池装置，外电路接电阻。在室温为33℃条件下，将配置的阴极液和阳极微生物生长液分别装入对应的阴、阳极室，中性溶液中进行培养。通过电压数据采集器，每5 min采集一次外电阻电压值，根据外电阻电压值的变化，定期更换阳极微生物生长所需培养液。随着培养时间的延长，在降低外电路电阻值的条件下，筛选出抗高电流通过的微生物菌群，待微生物阳极材料上生成稳定的微生物膜，进一步进行相关性能的测试。
其（1）特征在于所述的三聚氰胺、柠檬酸钠质量分数分别为1/8、1/10、1/15。
其（1）特征在于惰性气体为Ar气或者N2。
其（1）特征在于煅烧温度为800℃。
其（2）特征在于盐酸所述的浓度为0.1 mol/L。
其（3）特征在于阴极液和阳极培养液的PH值为中性。
其（3）特征在于微生物燃料电池培养温度为33℃左右。
其（3）特征在于更换外电路电阻值，筛选出能够抗高电流通过的微生物菌群。
其（3）特征在于定期更换阳极培养液。
本发明的优点是：以柠檬酸钠为碳源，三聚氰胺为氮源，发明了一种氮掺杂多孔碳N-C，因其具有较好的生物相容性及较大的比表面积，一方面利于阳极中产电微生物的附着，另一方面降低了阳极活化过电势，可使微生物燃料电池的功率密度得到显著提高。
附图说明
图1是氮掺杂多孔碳N-C材料合成流程图；
图2是氮掺杂多孔碳N-C材料扫描电镜图；
图3是氮掺杂多孔碳N-C材料与普通碳布用于微生物燃料电池阳极的电压和功率密度对比图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明，但需要说明的是实施例并不构成对本发明要求保护范围的限定。
实施案例
1. 氮掺杂多孔碳N-C材料的合成：称取1g三聚氰胺和10g柠檬酸钠，将其混合，在研钵中研磨均匀，放入瓷盅内。再将瓷盅放入管式炉中煅烧，煅烧温度是从20℃以5℃/min升温至800℃，在800℃条件下保持5h，自然冷却至室温，得到黑色固体，即氮掺杂多孔碳复合物，如图1所示。
2. 氮掺杂多孔碳N-C材料的后续除杂：将1中生成的固体物质研磨后，依次用0.1M稀盐酸、去离子水冲洗，在真空干燥箱中80℃干燥12h，生成黑色多孔状固体，合成材料形貌如图2所示。
3.氮掺杂多孔碳N-C材料与相应的溶剂和粘接剂混合制作成浆液涂到长宽为2*1cm碳布上制作成微生物燃料电池阳极，与普通没有涂合成材料的碳布一起组装到微生物燃料电池阳极室进行培养，待微生物生长稳定后进行电化学性能测试，测试结果与同阳极室没有涂合成材料的普通碳布电极进行比对，功率密度变化曲线的测试结果如图3所示。

Claims (10)

1.一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法，包括以下步骤：
（1）氮掺杂多孔碳N-C的合成：以柠檬酸钠为碳源，以三聚氰胺为氮源，按不同的比例混合研磨，分别放入瓷盅里在管式炉中煅烧，从常温，以5℃/min升温到800℃，在800℃下保持5h；自然冷却至室温，取出后为黑色多孔状固体，再次研磨，待用；
（2）氮掺杂多孔碳N-C杂质的去除：将（1）中最终生成的复合物依次用稀盐酸、去离子水冲洗，过滤，80℃真空条件下干燥12h，即得到氮掺杂多孔碳N-C材料。
2.一种根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法制作出的氮掺杂多孔碳N-C材料在微生物燃料电池阳极方面的应用，其特征在于包括以下步骤：
（1）所述合成的氮掺杂多孔碳N-C材料与相应的溶剂和粘接剂混合制作成浆液涂到长宽为2*1cm碳布上制作成微生物燃料电池阳极，与普通没有涂合成材料的碳布一起组装到微生物燃料电池阳极室；
（2）使用碳刷作为微生物燃料电池阴极，与质子交换膜一起搭建成H型微生物燃料电池装置，在温度为33℃左右条件下，将配置的阴极液和阳极微生物生长液分别装入对应的阴、阳极室中进行培养；
（3）通过电压数据采集器，每五分钟采集一次外电阻电压值，根据外电阻电压值的变化，定期更换阳极微生物生长所需营养液；
（4）随着培养时间的延长，在降低外电路电阻值的条件下，筛选出抗高电流通过的微生物菌群，待微生物阳极材料上生成稳定的微生物膜，进一步进行相关性能的测试。
3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法，其特征在于：其（1）步骤中所述的三聚氰胺、柠檬酸钠质量分数分别为1/8、1/10、1/15。
4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法，其特征在于：其（1）步骤中所述的惰性气体为Ar气或者N2。
5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法，其特征在于：其（1）步骤中所述的煅烧温度为800℃。
6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法，其特征在于：其（2）步骤中所述的盐酸所述的浓度为0.1 mol/L。
7.根据权利要求2所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法制作出的氮掺杂多孔碳N-C材料在微生物燃料电池阳极方面的应用，其特征在于：所述的在阴极液和阳极培养液中的PH值为中性。
8.根据权利要求2所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法制作出的氮掺杂多孔碳N-C材料在微生物燃料电池阳极方面的应用，其特征在于：所述的在微生物燃料电池培养温度为33℃左右。
9.根据权利要求2所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法制作出的氮掺杂多孔碳N-C材料在微生物燃料电池阳极方面的应用，其特征在于：所述的更换外电路电阻值，筛选出能够抗高电流通过的微生物菌群。
10.根据权利要求2所述的一种氮掺杂多孔碳N-C材料的合成方法制作出的氮掺杂多孔碳N-C材料在微生物燃料电池阳极方面的应用，其特征在于：所述的定期更换阳极培养液。
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