CN110635145A - 一种细菌衍生碳材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质衍生碳材料制备技术领域，具体是一种细菌衍生碳材料及其制备方法和在燃料电池阴极催化剂的应用。本发明细菌衍生碳材料，由细菌经热处理得到，热处理条件为：从室温以1～10℃min^‑1的升温速度升温至500～1000℃，保温0.1～5小时，随炉冷却至室温，即得具有均一性和纳米级微观形貌的细菌衍生碳材料。不同于现有生物质衍生碳材料的非均一性和微米级的微观形貌，本发明制备方法得到的细菌衍生碳材料具有均一性和纳米级的本征形貌，从而具有优异的电催化性能。本发明制备方法采用热处理工艺，其操作简单，适合大规模生产。

Description

一种细菌衍生碳材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物质衍生碳材料制备技术领域，具体是一种细菌衍生碳材料及其制备方法和在燃料电池阴极催化剂的应用。

背景技术

生物质指来源于动植物、微生物可再生的有机质，具有低消耗、低污染及资源丰富等优势。用生物质作为碳前驱体制备的生物质衍生碳材料以价格低廉，储量丰富和可持续性等优势得到了广泛的应用。其中燃料电池阴极催化剂是其重要的应用之一。目前对于燃料电池阴极电催化剂而言，生物质衍生碳材料非均一性和微米级的微观形貌是限制其成为商业阴极催化剂的重要原因之一。非均一性微观形貌影响批次样品的电催化一致性，微米级微观形貌导致内部活性位点难以暴露，进而降低电催化性能。因此，需要研究一种具备均一性和纳米级微观形貌的生物质衍生碳材料。

发明内容

为克服现有技术中生物质衍生碳材料非均一性和微米级的微观形貌的缺陷，本发明提供一种细菌衍生碳材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种细菌衍生碳材料，由细菌经热处理得到的均一性和纳米级微观形貌的细菌衍生碳材料。

上述一种细菌衍生碳材料，所述细菌包括杆菌、球菌和弧菌。

上述一种细菌衍生碳材料的制备方法为：将细菌在保护气体下进行热处理，所述热处理条件为：从室温以1～10℃min^-1的升温速度升温至500～1000℃，保温0.1～5小时，随炉冷却至室温，即得细菌衍生碳材料。

本发明另一方面提供了一种燃料电池阴极催化剂，所述催化剂由上述细菌衍生碳材料制备得到。

上述一种燃料电池阴极催化剂，所述催化剂的制备方法为：将所述细菌衍生碳材料、Nafion、异丙醇均匀混合，超声后，取上述混合浆液涂在玻璃碳电极上，自然挥发即得。

本发明第三方面提供了细菌衍生碳材料在燃料电池阴极催化剂中的应用。

本发明有益效果：不同于现有生物质衍生碳材料的非均一性和微米级的微观形貌，本发明制备方法得到的细菌衍生碳材料具有均一性和纳米级的本征形貌，从而具有优异的电催化性能。本发明制备方法采用热处理工艺，其操作简单，适合大规模生产。

附图说明

图1为实例1的扫描电镜照片。

图2为实例1中对比实验的扫描电镜照片。

图3为实例1旋转圆盘电化学测试，横坐标为电势，单位为伏特(V)，纵坐标为电流密度，单位为：毫安·厘米^-2(mAcm^-2)。

图4为实例2的扫描电镜照片。

图5为实例2旋转圆盘电化学测试，横坐标为电势，单位为伏特(V)，纵坐标为电流密度，单位为：毫安·厘米^-2(mAcm^-2)。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

将双歧杆菌(山东菌乐生物科技有限公司，乳双歧杆菌)直接置于管式炉中，保护气为氮气，以5℃min^-1的速率升温至850℃，恒温3小时，然后自然冷却至室温，即得。图1所示为双歧杆菌衍生碳材料的扫描电镜图，其微观形貌为均一性和直径为50纳米的棒状。

将双歧杆菌衍生碳材料制备为燃料电池阴极催化剂，与Nafion和异丙醇的配比为：双歧杆菌衍生碳材料(5mg)+Nafion(20μl)+异丙醇(2.5ml)均匀混合，超声20分钟，取30μl的上述浆料涂在玻璃碳电极上，自然挥发。以1.5cm×1.5cm的铂网作为对电极，汞/氧化汞电极为参比电极，0.1mol L^-1的KOH溶液为电解液，采用VMP3(普林斯顿公司)电化学工作站在室温条件下进行旋转圆盘电化学测试(转数为1600转·分钟^-1)，电势窗口范围为0.1～1.0V(vs.RHE)。测试结果如图3所示，以双歧杆菌衍生碳材料制备的催化剂的起始电位为0.97V和极限扩散电流密度为5.44mAcm^-2@0.5V，在上述同等条件下，将对比例中菠菜叶子衍生碳催化剂进行旋转圆盘电化学测试，由图3可看出，本实施例中双歧杆菌衍生碳材料催化剂的电催化性能明显优于对比例中菠菜叶子衍生碳催化剂。以上电化学测试证明双歧杆菌衍生碳材料展示出了优异的电催化性能。

实施例2：

将嗜热链球菌(山东菌乐生物科技有限公司，嗜热链球菌)直接置于管式炉中，保护气为氮气，以10℃min^-1的速率升温至850℃，恒温2小时，然后自然冷却至室温，即得。图4所示为嗜热链球菌衍生碳材料的扫描电镜图，其微观形貌为均一性和纳米级球状。

将嗜热链球菌衍生碳材料制备为燃料电池阴极催化剂，嗜热链球菌衍生碳材料与Nafion和异丙醇的配比为：嗜热链球菌衍生碳材料(5mg)+Nafion(20μl)+异丙醇(2.5ml)均匀混合，超声20分钟，取30μl的上述浆料涂在玻璃碳电极上，自然挥发。以1.5cm×1.5cm的铂网作为对电极，汞/氧化汞电极为参比电极，0.1mol L^-1的KOH溶液为电解液，采用VMP3(普林斯顿公司)电化学工作站在室温条件下进行旋转圆盘电化学测试(转数为1600转·分钟^-1)，电势窗口范围为0.1～1.0V(vs.RHE)。测试结果如图5所示，嗜热链球菌衍生催化剂的起始电位为0.93V和极限扩散电流密度为4.34mAcm^-2@0.5V，在上述同等条件下，将对比例中菠菜叶子衍生碳催化剂进行旋转圆盘电化学测试，由图5可看出，本实施例中嗜热链球菌衍生碳催化剂明显优于对比例中菠菜叶子衍生碳催化剂。以上电化学测试证明嗜热链球菌衍生碳材料展示出了优异的电催化性能。

对比例

菠菜叶子衍生碳催化剂，将菠菜叶子直接退火处理，温度600℃，升温速率：5℃min^-1，恒温3小时，保护气为氮气，其扫描电镜图如图2所示。由图1、图2和图3可以明显看出，本发明双歧杆菌衍生碳材料和嗜热链球菌衍生碳材料的微观形貌均为均一性的和纳米级的，而对比例中的菠菜叶子衍生碳材料的微观形貌为非均一性和微米级的形貌。

对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种细菌衍生碳材料，其特征在于，由细菌经热处理得到的均一性和纳米级微观形貌的细菌衍生碳材料。

2.根据权利要求1所述的细菌衍生碳材料，其特征在于，所述细菌包括杆菌、球菌和弧菌。

3.权利要求1所述的细菌衍生碳材料，其特征在于，所述细菌衍生碳材料的制备方法为：将细菌在保护气体下进行热处理，所述热处理条件为：从室温以1～10℃min^-1的升温速度升温至500～1000℃，保温0.1～5小时，随炉冷却至室温，即得细菌衍生碳材料。

4.一种燃料电池阴极催化剂，其特征在于，所述催化剂由权利要求1～3任一项所述细菌衍生碳材料制备得到。

5.根据权利要求4所述的燃料电池阴极催化剂，其特征在于，所述催化剂的制备方法为：将所述细菌衍生碳材料、Nafion、异丙醇均匀混合，超声后，取上述混合浆液涂在玻璃碳电极上，自然挥发即得。

6.权利要求1～3任一项所述细菌衍生碳材料在燃料电池阴极催化剂中的应用。

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