【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微生物燃料电池空气阴极，具体涉及了一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
1、随着科技进步和人们生活水平的提升，能源消耗不断攀升，给全球带来了能源短缺和环境污染的双重挑战。化石能源作为一种快速消耗的有限资源，其稀缺性日益凸显，迫切需要寻找替代能源。微生物燃料电池(mfc)利用微生物的催化作用与电化学过程的协同效应来降解有机污染物，能够巧妙的将污染治理和能源生产相结合，是一种具有广阔应用前景的可持续能源技术。在微生物燃料电池中，常见的电子受体如铁氰化钾和重铬酸钾等化学物质，因其阴极还原过电位低，可以使电池的工作电位与开路电位接近，从而获得较高的输出功率。然而，随着fe(cn)63-的消耗，反应体系的稳定性下降，影响电池性能，需要频繁更换阴极液，这不仅增加了运行成本，也造成了二次污染。因此，寻找替代的电子受体成为了一项重要任务。氧气作为一种理想的电子受体，因其易于获取和高标准电极电势等优点，成为了一种有吸引力的选择。空气阴极mfc以氧气为电子受体，其核心在于促进氧还原反应(orr)的阴极催化剂。为实现系统的高电流和功率输出，需要考虑如何高效地将阳极产生的电子传递至阴极。目前，pt/c是应用广泛的orr催化剂，但铂的昂贵成本、稀缺资源以及易中毒的问题限制了其广泛应用。因此，开发低成本且高效的orr催化剂成为研究的关键。
2、近年来，活性炭(ac)、碳纤维、石墨、碳纳米管等碳基材料因其成本低廉、导电性好、比表面积大和生物相容性高等特性，在催化材料领域得到了广泛关注。特别是碳纳米管
技术实现思路
1、针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法及应用，本专利技术通过添加氮和铁共掺杂促进碳纳米管的形成，并通过酸刻蚀方式缓解碳纳米管中的铁团簇现象，提高活性组分的分散性，以此优化催化剂的orr性能和导电性。
2、为达到上述专利技术目的，本技术所采用的技术方案为：
3、一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
4、将氮掺杂碳纳米管包裹单质铁材料经过酸刻蚀处理，经后处理得到酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料；所述的酸为硫酸、硝酸或盐酸。所述的酸的浓度为0.1～1mol/l。通过酸刻蚀的方式能够溶解碳纳米管催化剂表层的单质铁，缓解高温热解所形成大尺寸铁团簇的现象，改变材料的表面结构，增加催化剂的活性位点和提高活性组分的分散性。
5、一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁氧还原催化剂，所述碳纳米管的管径约为10～100nm。
6、作为优选，所述通过酸刻蚀缓解碳纳米管中铁团簇现象，酸刻蚀前的铁含量是酸刻蚀后的2～5倍。即所述的氮掺杂碳纳米管包裹单质铁材料中的单质铁质量与酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料中单质铁质量为(2～5)：1。
7、本专利技术还提供一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
8、(1)制备沸石咪唑框架结构zif-8前驱体；
9、(2)向沸石咪唑框架结构zif-8前驱体中加入铁源和氮源，得到固体混合物；
10、(3)将固体混合物在氮气或惰性气体保护下热解，升温速率1～10℃/min，热解温度700～900℃，保温时间2～3小时，随后降温，得到氮掺杂碳纳米管包裹单质铁材料；通过热解条件的调控，可以诱导沸石咪唑框架结构zif-8前驱体作为基础结构，从而促使沸石咪唑框架结构zif-8八面体结构坍塌，进而促进碳纳米管的形成。其特征还包括：氮元素在碳纳米管中均匀分散，同时单质铁呈现一种大尺寸团簇的现象。
11、(4)将氮掺杂碳纳米管包裹单质铁材料与酸进行混合反应，经后处理得到酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料。
12、本专利技术采用沸石咪唑框架结构zif-8为前驱体，通过将其与双氰胺和六水合氯化铁混合后进行超声处理，随后对产生的沉淀进行离心分离、干燥处理。将干燥后的沉淀在管式炉中进行高温热解，以形成氮掺杂碳纳米管包裹单质铁的复合催化剂，最后通过酸刻蚀步骤对其进行进一步处理，从而得到酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁氧还原催化剂(fe/n-cnts-acid)。本专利技术所用的制备方法缓解了过渡金属在高温热解过程中所出现的大尺寸团簇问题，即通过酸刻蚀改变材料的表面结构，提高活性组分的分散性，使其展现出良好的导电性、卓越的氧还原反应(orr)性能及其电生成效率。当应用于mfc空气阴极时，可显著提升氧气的利用效率。本专利技术不仅克服了传统铁氰化钾等化学试剂作为电子受体的局限性，而且能够高效地将有机物的化学能转化为电能，其性能优于现有的pt/c催化剂，具有取代pt/c作为orr催化剂的潜力。
13、步骤(1)中，制备沸石咪唑框架结构zif-8前驱体，包括以下步骤：
14、将六水合硝酸锌和2-甲基咪唑溶于甲醇后混合，经搅拌、静置、离心收集、甲醇洗涤和真空干燥，得到沸石咪唑框架结构zif-8前驱体。
15、步骤(2)中，向沸石咪唑框架结构zif-8前驱体中加入铁源和氮源，具体包括：
16、将步骤(1)得到的沸石咪唑框架结构zif-8前驱体溶于乙醇，加入六水合氯化铁和双氰胺进行超声处理，经离心收集和真空干燥，得到固体混合物。
17、步骤(4)中，所述的酸为硫酸、硝酸或盐酸；所述的酸的浓度为0.1～1mol/l；
18、混合反应的时间为8～24小时。
19、所述的后处理具体包括：先离心，再乙醇和去离子水交替清洗至中性，然后真空干燥。
20、具体地，一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁氧还原催化剂，所述方法包括如下步骤：
21、(1)将5～10mmol六水合硝酸锌和20～40mmol 2-甲基咪唑分别溶于甲醇溶液中，然后将含有2-甲基咪唑的甲醇溶液倒入含有六水合硝酸锌的甲醇溶液中，并将所得混合溶液搅拌10min后于室内静置24小时。之后离心收集沉淀，用甲醇洗涤3次以上。最后，在烘箱中真空干燥，所形成的材料为沸石咪唑框本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的酸的浓度为0.1～1mol/L。
3.根据权利要求1所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的氮掺杂碳纳米管包裹单质铁材料中的单质铁质量与酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料中单质铁质量为(2～5)：1。
4.一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备沸石咪唑框架结构ZIF-8前驱体，包括以下步骤：
6.根据权利要求4所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，向沸石咪唑框架结构ZIF-8前驱体中加入铁源和氮源，具体包括：
7.根据权利要求4所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，
8.根据权利要求4所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的后处理具体包括：
9.酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料应用在微生物燃料电池的空气阴极体系中，其特征在于，所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料采用权利要求1～8任一项所述制备方法制备。
10.根据要求9所述的应用，其特征在于，具体包括：将酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料作为氧还原催化剂负载于碳布扩散电极上，作为微生物燃料电池的阴极，相对亲水碳布作为生物阳极，构建微生物燃料电池空气阴极体系。
...【技术特征摘要】
1.一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的酸的浓度为0.1～1mol/l。
3.根据权利要求1所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的氮掺杂碳纳米管包裹单质铁材料中的单质铁质量与酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料中单质铁质量为(2～5)：1。
4.一种酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，制备沸石咪唑框架结构zif-8前驱体，包括以下步骤：
6.根据权利要求4所述的酸刻蚀氮掺杂碳纳米管包裹单质铁复合材料的制备方...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵景开，饶蔓莉，王勤琳，卢忆，冯克，沈遥，叶杰旭，张士汉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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