[發(fā)明專利]一種新型三維納米碳/不銹鋼網(wǎng)復(fù)合生物陽極及其制備方法與用途

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410158540.2
• 申請日: 2014-04-21
• 公開（公告）號: CN103972514A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳水亮;侯豪情;鄭蘇琪
• 申請（專利權(quán)）人: 江西師范大學(xué)
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新型三維納米碳/不銹鋼網(wǎng)復(fù)合生物陽極及其制備方法與用途。

背景技術(shù)

電極材料的成本和性能對像微生物燃料電池（MFC）這樣的微生物電化學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用起著非常關(guān)鍵的作用。碳材料具有良好的穩(wěn)定性和微生物附著性能，因此不同結(jié)構(gòu)的碳材料及其復(fù)合材料已被廣泛用于作為MFCs的電極材料或集流體主要可分為一下兩大類：（1）塊狀或粒狀的多孔碳材料，如碳紙、碳纖維氈、網(wǎng)狀的玻璃碳（RVC）、堆積的碳顆粒和石墨纖維刷、基于天然資源的三維多孔碳材料等；（2）粉狀的碳材料，如碳納米管、石墨烯、活性碳和碳黑等。塊狀多孔碳材料，一般直接作為電極使用或通過導(dǎo)電黏結(jié)劑固定在石墨或金屬等集流體上制成電極使用。然而，塊狀碳電極具有機(jī)械強(qiáng)度低、本體電阻大、與外電連接的接觸電阻大等缺點(diǎn)，其實(shí)際應(yīng)用具有一定的局限性。粉狀的碳材料可以通過以下兩種方法制成電極：（1）黏結(jié)法：即采用聚合物粘結(jié)劑將粉狀的碳材料固定到集流體上；（2）物理吸附法：以多孔聚合物為支撐體，通過分子間相互作用力吸附固定納米碳，如碳納米管、石墨烯等，形成納米碳/聚合物復(fù)合電極。用黏結(jié)法制備的電極的孔隙率較低，其作為生物陽極時只能允許有限的微生物膜生長，產(chǎn)電效率低；其作為氧氣還原陰極時，部分碳納米材料催化劑的催化位點(diǎn)被粘結(jié)劑覆蓋，利用率降低。采用物理吸附法制備的納米碳/聚合物復(fù)合電極的支撐體為不導(dǎo)電的聚合物。電極主要靠吸附的納米碳層導(dǎo)電，因此復(fù)合電極的內(nèi)阻較大，其大規(guī)模應(yīng)用將受到限制。

金屬材料，如不銹鋼等，具有高的導(dǎo)電性、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕、低成本以及易成型加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用來作為MFC的電極或集流體。不銹鋼表面的微生物附著性能相對較差，因此其直接作為生物陽極或生物陰極的產(chǎn)電效率較低【C. Dumas, A. Mollica, D. Feron, R. Basseguy, L. Etcheverry and A. Bergel, Electrochimica Acta, 2007, 53, 468-473】。采用化學(xué)氣相沉積或火焰合成的方法，在不銹鋼上原位修飾一層碳納米材料，可以極大提高不銹鋼電極表面的微生物附著性能【J. L. Lamp, J. S. Guest, S. Naha, K. A. Radavich, N. G. Love, M. W. Ellis and I. K. Puri, Journal of Power Sources, 2011, 196, 5829-5834】。但是，化學(xué)氣相沉積或火焰合成等生長納米碳的方法需要經(jīng)歷高溫過程（如超過500 ^oC）。而高溫?zé)崽幚頃淖儾讳P鋼中金屬的晶體結(jié)構(gòu)和元素分布，產(chǎn)生元素偏析，從而極大降低了不銹鋼基體的耐腐蝕性能。因此，采用該方法制備的納米碳/不銹鋼復(fù)合電極在MFC中的應(yīng)用受到了極大的限制。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前MFC陽極規(guī)模化應(yīng)用的限制，本發(fā)明結(jié)合納米碳材料和不銹鋼材料的優(yōu)點(diǎn)，目的在于提供一種新型三維納米碳/不銹鋼網(wǎng)復(fù)合生物陽極及其制備方法。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

（1） 將納米碳材料均勻分散在分散介質(zhì)中（如水、酒精等溶劑），形成均一的納米碳分散液；

（2）將不銹鋼網(wǎng)一定角度折疊形成的三維折疊結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

（3）將三維折疊不銹鋼網(wǎng)放入1 mol/L稀酸溶液 (如鹽酸、硫酸和磷酸等) 浸泡1~4 h，進(jìn)行表面處理，以達(dá)到一種粗糙表面的效果；

（4）將表面處理的三維折疊不銹鋼網(wǎng)浸入到納米碳分散液中，幾分鐘后取出烘干，并重復(fù)浸入/烘干循環(huán)1 ~ 5次；

納米碳材料是碳納米管、石墨烯和炭黑等具有1~ 100納米尺寸的碳材料，分散介質(zhì)為水、酒精等常用溶劑，分散液的濃度為2 ~ 20 g/L；

所示的不銹鋼網(wǎng)，其材質(zhì)包括SUS302、304、304L、316、316L、310s等，其孔隙大小為20 ~ 200目。

所述的一種新型三維納米碳/不銹鋼網(wǎng)復(fù)合生物陽極中的三維結(jié)構(gòu)，其特征是按一定角度折疊而成的三維折疊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

所述的一種新型三維納米碳/不銹鋼網(wǎng)復(fù)合生物陽極，其折疊角度θ的范圍為0 ~ 60^o，電極厚度δ的范圍為0.5 ~ 10 cm。