一种基于蜘蛛丝的多孔活性碳纤维材料及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于蜘蛛丝的多孔活性碳纤维材料及应用。其制备方法包括下列步骤：收集环境中的蜘蛛网，去除其中的杂质；依次用去离子水、盐酸、乙醇超声清洗20～40min，再用超纯水清洗干净，干燥；将干燥蛛网200～400℃预碳化，待其自然冷却至室温后与活化试剂混合，研磨混匀，再经700～1000℃碳化，得到多孔活性碳纤维。本发明专利技术制备的多孔活性碳纤维材料可作为微生物燃料电池阴极催化剂及电极材料，其成本低廉、方法简单，且性能稳定、活性良好，为自然废弃物资源化利用提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术具体涉及一种基于蜘蛛丝的多孔活性碳纤维材料及应用。
技术介绍
碳纤维是指含碳量大于90%（质量分数）的新型非金属纤维材料，是一种性质优良的功能材料和结构材料。它具有强度高、密度低、热膨胀系数小、导电及导热性能好等优点；除此之外，它还具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等特性，在航空航天、国防工业、石油化工、医疗、建筑及电器等诸多领域都具有重要的应用价值。目前，碳纤维材料的制备方法包括静电纺织法、热解碳化法等。前者是利用液态流体表面累积静电荷之间的排斥力与高压静电场的拉伸力相互作用而制备纳米尺寸长丝；后者主要是利用高温将原本呈丝状的前驱体在绝氧环境下碳化为纳米结构，进而制备得到纳米碳纤维材料。但是，这些方法制备碳纤维需要较昂贵的仪器设备和复杂的化学合成过程。蜘蛛丝是一种由多种氨基酸构成的丝状天然蛋白纤维，具有强度高、粘附性及韧性强等特点，是自然界颇具应用潜力的生物材料。但是，跟大规模利用的蚕丝相比，目前蜘蛛丝还不能被充分利用。蜘蛛丝未能在实际应用方面取得突破，其主要原因是人们对蜘蛛丝结构及性能的特点仍未完全掌握。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术从高效合理利用废弃生物质资源为切入点，以普遍存在的蛛网为原料，将其经碳化处理制得多孔活性碳纤维材料，并应用于微生物燃料电池阴极催化剂及阴极电极材料，为其资源化利用提供一种新的有效途径，同时也为生物质材料资源化利用提供一个参考。本专利技术所采取的技术方案是：一种多孔活性碳纤维，其制备方法包括下列步骤：1）收集环境中的蜘蛛网，去除其中的杂质；r>2）依次用去离子水、盐酸、乙醇超声清洗20～40min，再用超纯水清洗干净，干燥；3）将干燥蛛网200～400℃预碳化，待其自然冷却至室温后与活化试剂混合，研磨混匀，再经700～1000℃碳化，得到多孔活性碳纤维。优选的，所述蛛网为室内空间角落清洁网状或丝状结构蛛网。优选的，步骤2）中盐酸浓度为1.0～2.0mol/L，超声清洗时间为25～30min。优选的，步骤2）中干燥温度为60～80℃，且干燥至蛛网水分含量低于5%。优选的，步骤3）中，在惰性气体的保护下，对干燥蛛网250～300℃预碳化1～2h。优选的，步骤3）中，在惰性气体的保护下，预碳化获得的碳化蛛网与活化试剂混合，研磨混匀，再经800～900℃碳化1～2h。优选的，步骤3）中活化试剂为FeCl3或ZnCl2，其用量为预碳化获得的碳化蛛网质量的1～5倍。优选的，步骤3）中活化试剂的加入量为预碳化获得的碳化蛛网质量的2.4～3.6倍。一种微生物燃料电池阴极氧还原催化剂材料，所述阴极氧还原催化剂材料为上述任一项所述的多孔活性碳纤维。多孔活性碳纤维作为微生物燃料电池阴极氧还原催化剂材料的应用，其中多孔活性碳纤维如上述任一项所述。多孔活性碳纤维作为微生物燃料电池阴极电极材料的应用，其中多孔活性碳纤维如上述任一项所述。本专利技术的有益效果是：本专利技术制备的多孔活性碳纤维材料可作为微生物燃料电池阴极催化剂及电极材料，它以室内空间环境中的蜘蛛网为原料，其成本低廉、方法简单，且性能稳定、活性良好，为自然废弃物资源化利用提供了新的思路。本专利技术制备的多孔活性碳纤维可用于微生物燃料电池的阴极氧还原催化剂和阴极电极材料，其氧还原催化活性接近于铂，且稳定性及耐甲醇性有所提高；与传统石墨电极相比较，以碳化蛛网为阳极的微生物燃料电池最大功率密度可提高2倍左右。附图说明图1为实施例1制备的多孔活性碳纤维材料的扫描电子显微镜；图2为实施例2制备的多孔活性碳纤维材料的扫描电子显微镜；图3为多孔活性碳纤维材料在碱性环境中不同转速条件下旋转圆盘电极线性伏安扫描曲线；图4为几种不同阳极材料条件下微生物燃料电池功率密度随电流密度的变化曲线。具体实施方式以下结合具体的实施例对本专利技术作进一步说明，但并不局限于此。实施例1一种多孔活性碳纤维材料，其制备方法包括以下步骤：1）收集室内清洁蛛网，去除大颗粒固体及灰尘等杂质；2）依次使用去离子水、1.0mol/L盐酸、无水乙醇超声清洗25min，然后再用超纯水清洗三遍，60℃烘干至水分含量低于5%；3）将干燥蛛网在250℃条件下低温预碳化处理1h，再经900℃高温碳化处理1h制得多孔活性碳纤维。本实施例制备的多孔活性碳纤维扫描电子显微镜（SEM）如图1所示。电镜图显示，经高温碳化以后，完整的蜘蛛丝纤维结构得到保留，所获碳纤维的直径约为100～200nm。实施例2一种多孔活性碳纤维材料，其制备方法包括以下步骤：1）收集室内清洁蛛网，去除大颗粒固体及灰尘等杂质；2）依次使用去离子水、2.0mol/L盐酸、无水乙醇超声清洗30min，然后再用超纯水清洗三遍，60℃烘干至水分含量低于5%；3）将干燥蛛网在250℃条件下低温预碳化处理2h，待其自然冷却至室温后，与3倍质量的FeCl3或ZnCl2混合，并研磨混匀，再经900℃高温碳化处理2h制得多孔活性碳纤维。本实施例制备的多孔活性碳纤维扫描电子显微镜如图2所示。电镜图显示，高温活化处理没有破坏碳纤维的结果，但是活化处理使碳纤维上新形成了许多微孔。大量微孔的生成，可以显著增加碳纤维的比表面积，从而有益于其催化活性。实施例3一种微生物燃料电池阴极氧还原反应催化剂及其催化活性研究，包括以下步骤：1）依次使用1.0μm、0.5μm和0.03μm电极抛光粉处理玻碳电极，然后依次在无水乙醇和去离子水中超声清洗10min，30℃烘干；2）称量0.5μg实施例2制备得到的碳化蛛网粉末，加入50μL去离子水、100μL无水乙醇及2μLNafion溶液配制催化剂研究液；3）吸取8μL催化剂研究液，滴至已干燥的玻碳电极表面，30℃烘干，即可作为工作电极；4）将修饰电极分别在已冲N2、O2的0.1MKOH溶液中进行电化学测试，包括循环伏安扫描、旋转圆盘电极线性扫描，研究制备的碳化蛛网催化性能、稳定性及耐甲醇性等。本实施例旋转圆盘电极线性扫描曲线（LSV）如图3所示。从图3中可知：与商用的铂催化剂相比，活性碳纤维催化氧气还原的起始还原电位更正和催化电流更大，说明活性碳纤维具有比铂催化剂更优异的氧还原催化性能。实施例4一种微生物燃料电池（MFC）的构建，主要包括以下步骤：1）按传统方法构建微生物单室空气阴极燃料电池：以方形有机玻璃作为电池原材料构建电池。电池内部为一个长4.0cm，直径3.0cm的圆柱形腔体，电池阴阳极两端用长为6.0cm的有机方形玻璃密封；2）按传统制作电池阴极片的方法，以实施例2制备的活性碳纤维粉末为原料制作电池阴极：阴极碳布一侧均匀涂抹0.5mg/cm2的碳粉末，30℃烘干；以碳刷制作电池阳极；3）待以上准备工作就绪即可组装电池。分别将电池阴极和阳极与其他材料一起构架电池，并用塞子密封电池顶端开口，用钛丝作为导线连接电池两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔活性碳纤维，其特征在，其制备方法包括下列步骤：1）收集环境中的蜘蛛网，去除其中的杂质；2）依次用去离子水、盐酸、乙醇超声清洗20～40min，再用超纯水清洗干净，干燥；3）将干燥蛛网200～400℃预碳化，待其自然冷却至室温后与活化试剂混合，研磨混匀，再经700～1000℃碳化，得到多孔活性碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种多孔活性碳纤维，其特征在，其制备方法包括下列步骤：
1）收集环境中的蜘蛛网，去除其中的杂质；
2）依次用去离子水、盐酸、乙醇超声清洗20～40min，再用超纯水清洗干净，干燥；
3）将干燥蛛网200～400℃预碳化，待其自然冷却至室温后与活化试剂混合，研磨混匀，再经700～1000℃碳化，得到多孔活性碳纤维。
2.根据权利要求1所述的多孔活性碳纤维，其特征在于：步骤2）中盐酸浓度为1.0～2.0mol/L，超声清洗时间为25～30min。
3.根据权利要求1所述的多孔活性碳纤维，其特征在于：步骤2）中干燥温度为60～80℃，且干燥至蛛网水分含量低于5%。
4.根据权利要求1所述的多孔活性碳纤维，其特征在于：步骤3）中，在惰性气体的保护下，对干燥蛛网250～300℃预碳化1～2h。
5.根据权利要求1所述的多孔活性碳纤维，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁勇，周丽华，傅鹏，孙丽华，
申请(专利权)人：广东省生态环境与土壤研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44