[发明专利]一种碳材料的表面修饰方法及其在微生物燃料电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源与环境工程技术领域，具体涉及碳材料的表面修饰方法及其得到的阴极材料在微生物燃料电池中的应用。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能的新型装置。它可以利用包括生活污水、工业废水和动物废物等在内的几乎所有有机物，它可以同时实现电能的回收和污水的净化，其被认为是具有极大应用前景的革新技术，从而受到人们的广泛关注。

目前，微生物燃料电池的输出功率仍然很低。这主要是由于微生物对底物的氧化速率慢、电子传递速率小、阴极活化过电位低、电池内阻大等原因造成的。为提高微生物燃料电池的产电功率，已经做了大量的工作，尤其是在电极材料的研究方面做了很大的努力。

阴极性能是影响MFCs性能的重要因素。阴极通常采用石墨、碳布或碳纸等材料，但直接使用效果不佳。为提高阴极材料的性能，可通过高活性的催化剂进行表面改性来降低阴极反应活化电势，从而加快反应速率。目前常采用的催化剂为铂，但由于铂为贵金属，利用铂作为微生物燃料电池的催化剂大大增加了电池的制造成本，而且易引起催化剂中毒，进一步制约了微生物燃料电池实际应用的可行性。现在对其他替代催化剂的研究已日益广泛，如CoTMPP、FePc、天然金红石、MnO₂及硫酸铁和生物阴极等，例如专利申请号为20071019540.5和20081019845.3的专利申请中分别公开了以铁离子和二氧化锰为催化剂的非生物阴极，专利申请号为20081006411.7的专利申请中公开了利用好氧微生物作为MFCs阴极催化剂的制备方法，但这些方法仍存在运行不稳定、制作过程复杂和成本较高等缺陷，不宜大规模工业化应用；另外，对于无金属催化剂的微生物燃料电池也有一定的研究，例如专利申请号为20091015323.5和20091015323.6的专利申请中公开了一种无金属催化剂的单室微生物燃料电池和无金属催化剂的空气阴极及其制备方法。

化学活化方法是一种廉价而且有效的表面改性方法。例如，Beck N V等（Carbon, 2001, 39(4)：531-540）用浓度为1mol/L的过硫酸铵对炭黑表面进行氧化改性，使得炭黑表面含氧量增大；田晓燕等（化学世界，2006，47（10）：618-621）利用重铬酸钾改性煤基活性炭作为催化剂合成环己酮乙二醇缩酮，通过对改性前后的活性炭的表面酸性官能团进行测定，发现改性后表面酸性官能团的含量明显增多，推断出活性炭表面酸性官能团起到了固体酸的催化作用，从而使改性后的活性炭具有较高的催化活性。以上研究结果表明，利用强氧化性盐类对碳基材料进行表面改性，可以改变其比表面积及表面官能团的含量和种类。然而，经强氧化性盐类氧化改性对碳材料表面氧还原特性的改善以及化学活化碳材料在微生物燃料电池阴极中的应用鲜见有报道。由于碳材料具有耐高温性、导电、导热性、化学稳定性等特殊性质，因此，可以利用经强氧化性盐类活化改性的碳材料作为微生物燃料电池的电极材料。

发明内容

本发明的目的在于，利用强氧化性盐类活化改性碳材料制备阴极材料以代替贵金属等修饰的阴极材料；将其应用于微生物燃料电池中，降低了微生物燃料电池的造价，提高微生物燃料电池在实际中应用的可能性。另外，利用强氧化性盐类活化改性碳阴极材料代替普通碳阴极应用于微生物燃料电池中，提高了微生物燃料电池阴极的氧还原能力及其功率密度以及运行的稳定性。本发明主要内容如下：

一种碳材料的表面修饰方法，所述表面修饰方法包括以碳材料为基体，利用强氧化性的金属酸根盐类对碳材料进行表面修饰，制备得到一种阴极材料；包括以下步骤：

（1）首先，用去离子水或乙醇对所述碳材料进行预处理；

（2）然后，放入0.05～50.00mol/L金属酸根盐水溶液中浸泡0.5～48小时；

（3）清洗、晾干，即得到所述阴极材料。

所述碳材料是石墨、碳纤维、活性炭或无定型碳。

所述金属酸根盐是重铬酸盐、高锰酸盐、高铁酸盐或它们的混合物。

上述一种碳材料的表面修饰方法得到的阴极材料在微生物燃料电池中的应用，以纯氧或者空气中的氧气为电子受体，以所述阴极材料为所述微生物燃料电池的阴极。

本发明验证强氧化性盐类活化改性石墨材料应用于微生物燃料电池阴极的过程如下：

第一步：碳材料的表面修饰方法及其表征