高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料及其在微生物燃料电池阳极材料制备中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料的制备方法及该材料在微生物燃料电池阳极材料制备中的应用。所述制备方法包括以下步骤：将单宁酸、三乙基胺和溶剂先后加入乙腈溶液中，超声进行缩聚反应，离心后洗涤数次干燥形成共价交联聚磷腈(PSTA)纳米球；将PSTA纳米球加入混有普兰尼克的乙醇溶液中得到PSTA

【技术实现步骤摘要】
高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料及其在微生物燃料电池阳极材料制备中的应用


[0001]本专利技术属于微生物燃料电池
，具体涉及一种高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料及其在微生物燃料电池阳极材料制备中的应用。

技术介绍

[0002]微生物燃料电池(MFCs)是一种利用电化学活性微生物(EAMs)作为生物催化剂降解废水中的有机化合物并产生电能的绿色处理技术。然而，其低功耗、高成本和缺乏可扩展性阻碍了MFCs的广泛实际应用。阳极，作为MFC操作的核心，其性能决定了电活性生物膜的电催化活性，并直接影响EAMs和电极之间的EET过程。因此，制备具有高导电性、多层孔结构和足够生物相容性的高性能阳极材料，是大幅度提高MFC发电性能效率，使MFC在污水处理、可持续清洁能源、环境生物修复等领域得到实际应用的必要条件。
[0003]传统的碳基阳极材料，包括碳布(CC)、碳刷和碳毡等，由于其比表面积低、内阻高、细菌粘附力弱、微生物选择性差，通常表现出低功率输出。相比之下，许多纳米材料，如碳纳米管、石墨烯、导电聚合物和金属化合物，由于其优异的电催化活性，已被广泛用于修饰 MFC。纳米材料修饰可以有效地将电子从细菌转移到电子受体的表面。然而，碳纳米结构材料的制备复杂且价格昂贵，不利于大规模生产。此外，调节现有材料结构的能力往往有限，导致MFC性能不佳，且许多材料的制备还没有得到充分的设计和优化。
[0004]N掺杂可以提高材料导电性、活性位点数量和生物相容性，形成适合微生物生长的微环境，提高微生物的电催化活性。S
‑
和P
‑
掺杂进一步优化了阳极元件的化学状态和表面疏水性，从而提高了电极表面对细菌的亲和力，促进了EET过程，甚至提高了微生物活性。Co
‑
掺杂为氧还原反应提供了额外的活性位点。具有大表面积的纳米级多孔结构不仅能促进电活性生物膜的形成，还能使其插入生物催化剂并与活性中心接触。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种用于微生物燃料电池的高导电杂原子(N，P，S和Co)掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料(N
‑
HDPC)的制备方法及其在微生物燃料电池阳极材料制备中的具体应用。
[0006]本专利技术的上述目的通过以下方案予以实现：
[0007]一种高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料，包括以下步骤的方法制备得到：
[0008]步骤一：将单宁酸溶解于乙腈中，加入三乙基胺，超声；将六氯环三磷腈和4，4
‑
二羟基二苯砜溶解在乙腈中，将其加入超声后的溶液中继续超声；离心收集沉淀物，用乙醇和去离子水洗涤，50～90℃真空干燥后得到共价交联聚磷腈纳米球；
[0009]步骤二：将普兰尼克溶解在乙醇中，加入步骤一得到的共价交联聚磷腈纳米球，超声均匀分散；将Co(OAc)2·
4H2O溶于乙醇中，将其加入超声均匀分散后的溶液中，室温下搅
拌后离心收集产物，用乙醇和去离子水洗涤，50～90℃真空干燥后得到PSTA
‑
Co纳米球；
[0010]步骤三：将步骤二得到的PSTA
‑
Co纳米球在石英管中恒定氩气存在下由室温加热升温至 750～900℃后恒温3～6h，用HCl溶液和去离子水洗涤，在60～90℃下真空干燥，将干燥后得到的黑色粉末在石英管中由室温加热升温至800～1000℃后恒温3～6h，得到高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料(N
‑
HDPC)。
[0011]步骤一中所述的单宁酸、六氯环三磷腈和4，4
‑
二羟基二苯砜的质量比为 1.5～2.4:0.8～1.2:0.8～1.2，所述的三乙基胺在乙腈溶液中的的体积分数为10～12％。
[0012]步骤二中所述的普兰尼克、共价交联聚磷腈纳米球和Co(OAc)2·
4H2O的质量比为2:2:3。
[0013]步骤一和步骤二的超声功率均为160～240W，超声频率均为50～90Hz。
[0014]步骤二中室温下搅拌时间为24～36h，离心转速为9000rpm。
[0015]步骤三中两次升温速率均为10℃
·
min
‑1。
[0016]步骤三中HCl溶液的浓度为3mol/L。
[0017]本专利技术的高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料可应用于微生物燃料电池阳极材料的制备，具体为：将碳布分别用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20～40min，在管式炉中N2下加热；向所述高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料依次加入去离子水、异丙醇和质量分数为5％的Nafion溶液，将均匀分散后得到的混合溶液均匀涂覆在预处理后的碳布两面，干燥后用导电银胶将钛丝连接到碳布，得到含有高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料的微生物燃料电池阳极材料(N
‑
HDPC/CC)。
[0018]所述管式炉中温度为300～450℃，加热时间3～6h；所述去离子水、异丙醇和质量分数为 5％的Nafion溶液的体积比为5:10:6。
[0019]上述制备方法得到的高导电杂原子(N，P，S和Co)掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料 (N
‑
HDPC)具有分级纳米多孔的优异性能和碳材料的高稳定性，N，P，S和Co的共掺杂优化材料的化学态和表面疏水性，提高材料生物相容性，增强细胞的黏附，促进EET过程，提高MFCs的功率密度。
[0020]上述制备方法得到的高导电杂原子(N，P，S和Co)掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料(N
‑
HDPC)涂覆碳布后可应用作微生物燃料电池(MFCs)阳极材料。
[0021]本专利技术的原理是：通过超声聚合和碳化得到了具有高比表面积和良好分散的Co
‑
N2P2活性中心的高导电杂原子(N，P，S，Co)掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料(N
‑
HDPC)。具有大表面积的纳米级多孔结构不仅能促进电活性生物膜的形成，还能使其插入生物催化剂并与活性中心接触。N
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掺杂可以提高材料导电性、活性位点数量和生物相容性，形成适合微生物生长的微环境，提高微生物的电催化活性。S
‑
和P
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掺杂进一步优化了阳极元件的化学状态和表面疏水性，从而提高了电极表面对细菌的亲和力，Co
‑
掺杂为氧还原反应提供了额外的活性位点，提高了微生物活性，促进了EET过程。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：
[0023](1)本专利技术的高导电杂原子(N，P，S，Co)掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料的制备方法简单。
[0024](2)本专利技术的高导电杂原子(N，P，S和Co)掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料涂覆碳布后应用作微生物燃料电池阳极材料，杂原子的掺杂使微生物燃料电池阳极材料具有高导电
性、良好的生物相容性和丰富的电化学活性中心，促进了EET本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料，其特征在于，包括以下步骤的方法制备得到：步骤一：将单宁酸溶解于乙腈中，加入三乙基胺，超声；将六氯环三磷腈和4，4
‑
二羟基二苯砜溶解在乙腈中，并将其加入超声后的溶液中继续超声；离心收集沉淀物，用乙醇和去离子水洗涤，50～90℃真空干燥后得到共价交联聚磷腈纳米球；步骤二：将普兰尼克溶解在乙醇中，加入步骤一得到的共价交联聚磷腈纳米球，超声均匀分散；将Co(OAc)2·
4H2O溶于乙醇中，并将其加入超声均匀分散后的溶液中，室温下搅拌后离心收集产物，用乙醇和去离子水洗涤，50～90℃真空干燥后得到PSTA
‑
Co纳米球；步骤三：将步骤二得到的PSTA
‑
Co纳米球在石英管中恒定氩气存在下由室温加热升温至750～900℃后恒温3～6h，用HCl溶液和去离子水洗涤，在60～90℃下真空干燥，将干燥后得到的黑色粉末在石英管中由室温加热升温至800～1000℃后恒温3～6h，得到高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料。2.根据权利要求1所述的一种高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料，其特征在于，步骤一中所述的单宁酸、六氯环三磷腈和4，4
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二羟基二苯砜的质量比为1.5～2.4:0.8～1.2:0.8～1.2，所述的三乙基胺在乙腈溶液中的体积分数为10～12％。3.根据权利要求1所述的一种高导电杂原子掺杂多孔碳纳米颗粒复合材料，其特征在于，步骤二中所述的普兰尼克、共价交联聚磷...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志伟，刘令，覃程荣，梁辰，刘新亮，宋雪萍，朱凯莉，邹雪莲，袁金霞，韦丽萍，伍晓琪，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：