[發(fā)明專利]氮摻雜碳納米管在制備微生物燃料電池陰極中的應用及其制備方法

有效

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• 申請日: 2011-01-19
• 公開（公告）號: CN102117918A
• 公開（公告）日: 2011-07-06
• 發(fā)明（設計）人: 陳銀廣;馮雷雨;嚴媛媛
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發(fā)明屬于新能源和新材料應用技術領域，具體涉及氮摻雜碳納米管在制備微生物燃料電池陰極中的應用及其制備方法。

背景技術

隨著能源危機的不斷加劇以及有機廢棄物排放量的日益增大，以有機廢棄物為對象的新能源開發(fā)因其同時兼顧環(huán)境保護而日益受到人們的重視。近年來，作為一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化為電能的新型裝置，微生物燃料電池(Microbial?fuel?cells，MFCs)逐漸成為新能源開發(fā)和環(huán)境治理領域的研究熱點。

MFCs是微生物與燃料電池技術相結合的產物，其基本工作原理是在陽極室厭氧環(huán)境下有機物被微生物氧化分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極，而質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與質子結合成水，從而產生電流。與現(xiàn)有的其它利用有機物產能的技術相比，MFCs具有以下操作和功能上的優(yōu)勢：(1)直接將有機物中的化學能轉化為電能，能量利用率高；(2)原料廣泛，理論上任何有機物都可作為MFCs的燃料，包括各種有機廢棄物，比如生活污水、垃圾滲濾液、畜禽糞便等；(3)操作條件溫和，可在常溫常壓下運行，維護成本低，安全性強；(4)無污染，可實現(xiàn)零排放(文獻Environmental?Science?&?Technology，2006，40，5172-5180)。MFCs在處置有機廢棄物的同時產生清潔的電能，是一項極具應用前景的新能源技術。

在MFCs利用有機物產電過程中，陰極反應是影響電能輸出的關鍵。目前，已有研究證明，一些具有較高氧化還原電勢的氧化劑，如高錳酸鉀、鐵氰化鉀、重鉻酸鉀等，作為陰極電子受體能夠大幅度提高MFCs的輸出功率。然而，由于這些氧化劑通常是不可再生的，使用時需不斷補充才能夠保持較高的功率輸出，無形中大大增加了原材料費用，因此其并不具備實際應用價值。相比較而言，空氣(氧氣)最為簡單易得，作為陰極電子受體更具成本優(yōu)勢和實用價值。在以氧氣為電子受體的空氣陰極MFCs產電過程中，發(fā)生在陰極的氧還原反應過程由于動力學因素的影響通常需要使用高效穩(wěn)定的催化劑對反應進行催化。長期以來，金屬鉑(Pt)被認為催化氧還原反應最為高效和穩(wěn)定的催化劑。但Pt的昂貴價格及其在自然中有限的儲量極大地限制了以氧氣為電子受體的空氣陰極MFCs的大規(guī)模開發(fā)和應用。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鍵領域之一。

在尋找低廉高效氧還原催化劑的過程中，有研究者發(fā)現(xiàn)過渡金屬化合物，如四苯基卟啉(CoTTMP)、酞菁鈷(CoPC)等具有較強的氧還原催化活性，有望成為降低Pt在MFCs陰極的使用量，甚至成為Pt的替代品。然而，上述過渡金屬化合物作為MFCs陰極氧還原反應催化劑卻存在著明顯的缺陷，即穩(wěn)定性較差，其催化活性隨著運行時間衰減較快，致使產電效果逐漸降低(文獻WaterResearch，2010，44，5298-5305)。

近年來，碳基納米材料，比如碳納米管和石墨稀的研究一直處于材料科學研究的前沿。最近有學者發(fā)現(xiàn)，經過氮元素摻雜過的碳納米管在堿性或者酸性介質中具有很強的氧還原催化活性，其用作燃料電池陰極氧還原反應的非金屬催化劑的應用前景十分廣闊(文獻Nature，2009，323，760-764；Journal?of?theAmerican?Chemical?Society，2010，132，15839-15841)。但是，氮摻雜碳納米管作為陰極氧還原催化劑應用于含有中性介質的MFCs技術尚未見報道。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現(xiàn)有金屬鉑催化劑替代品存在的不足，提供一種氮摻雜碳納米管在制備微生物燃料電池陰極中的應用及其制備方法，其催化性能穩(wěn)定、活性高，而且環(huán)境友好成本低廉的氧還原催化材料的新應用，利用氮摻雜碳納米管代替貴金屬鉑用作微生物燃料電池陰極催化劑。

為達到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是：

一種氮摻雜碳納米管在制備微生物燃料電池陰極中的應用，將氮摻雜碳納米管粉末作為微生物燃料電池的氧還原催化劑。

一種氮摻雜碳納米管制備微生物燃料電池陰極的制備方法，將氮摻雜碳納米管粉末與導電材料和粘結劑混合在一起，涂覆于導電基底，形成微生物燃料電池陰極。

進一步，其具體包括以下步驟：

(1)將氮摻雜碳納米管、導電材料以及粘結劑按比例混合；

(2)向混合物中加入溶劑，混合均勻，并超聲分散；

(3)將超聲混合物均勻地涂敷在導電基底上；

(4)自然風干。