[发明专利]一种二氧化锰催化剂及其制备方法和在微生物燃料电池处理中的应用

说明书

技术领域：

本发明属于环境保护和新能源技术领域，具体涉及一种作为微生物燃料电池阴极电极催化剂的二氧化锰催化剂及其制备方法和在垃圾渗滤液微生物燃料电池处理技术中的应用。

背景技术：

城市垃圾渗滤液是一种高浓度有机废水，金属和氨氮含量高，水质水量不稳定、营养元素比例失调，且含有大量有毒有机污染物，包括挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物，浓度都较高，有许多是美国国家环境保护局（USEPA）优先控制的污染物。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC），是一种利用微生物作催化剂将燃料中的化学能直接转化为电能的理想产电装置，可在产电的同时去除废水中有机物，具有产电与废弃物处置的双重功效，是一项发展潜力巨大的有机废物处理技术。然而目前，MFC输出功率低且有机污染物去除率不高，是制约其实际应用的瓶颈。通过筛选产电微生物、改进电池结构、改善电极材料、优化运行条件等途径均可提高MFC的功率输出和废水中有机污染物去除率。其中，改善阴极反应条件是有效提高MFC功率输出及污染物去除率的重要方法。

铁氰化钾、高锰酸钾和重铬酸钾等，由于其高氧化还原电位在作为阴极电子受体时能够大幅度的提高MFC的输出功率，但上述物质不可再生且具有潜在的环境危害，而空气中廉价易得的氧气由于其环境友好成为了理想的MFC阴极电子受体。然而，氧气的溶解度低、阴极存在较大过电势，需要采用阴极催化剂或其他的氧化还原体系以加快反应速率、改善MFC性能。金属铂（Pt）具有高电催化活性和化学稳定性，是较好的氧还原反应（oxygen reduction reaction，ORR）催化剂，但昂贵的价格限制了其广泛使用；过渡金属大环络合物，如热解酞菁铁（pyr-FePc）、四甲基苯卟啉钴（CoTTMP）等具有较好的催化活性，但稳定性不高、制备过程复杂，实用性不强，因此采用廉价的金属氧化物代替贵重金属是氧化还原电极的重要选择。

二氧化锰具有较高的ORR催化活性且来源广泛、价格低廉，是比较具有应用潜力的一种阴极催化剂。专利申请号为200810198453.4公开了一种二氧化锰在制备微生物燃料电池阴极中的应用，具体涉及二氧化锰作为催化剂在微生物燃料电池阴极中的应用及其具体配比，等等。然而，由于二氧化锰作为阴极催化剂制备技术的欠缺以及渗滤液成分的复杂性，以二氧化锰为阴极催化剂用于渗滤液微生物燃料电池处理尚未见相关技术报道。

发明内容：

本发明的第一个目的是提供一种制备方法简单、催化效果好，特别是将其作为微生物燃料电池阴极电极的催化剂在处理渗滤液中催化效果好的二氧化锰催化剂及其制备方法。

本发明的二氧化锰催化剂是通过以下方法制备的，该方法包括以下步骤：

将二氧化锰、导电碳材料和PVDF（聚偏二氟乙烯）按照65∶20∶15的质量比混匀，然后向混合物中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂直至能搅拌成糊状，再加入与N-甲基吡咯烷酮溶剂相同体积的8~12mol/L NaOH溶液，搅拌均匀后放入水热反应釜中，在温度为105~115℃，压强为1.0~2.9MPa的条件下反应11.5~12.5小时，反应完毕后冷却，取出糊状物即为制备好的二氧化锰催化剂。

所述的导电碳材料优选为石墨、乙炔黑、炭黑或活性炭等。

所述的NaOH溶液，其浓度优选10mol/L。

优选，所述的放入水热反应釜中，是在温度为110℃，压强为2.1MPa的条件下反应12h。

本发明的第二个目的是提供上述二氧化锰催化剂在微生物燃料电池中的应用。

优选，上述二氧化锰催化剂在作为微生物燃料电池阴极电极催化剂用于处理垃圾渗滤液中的应用。

以本发明的二氧化锰催化剂作为微生物燃料电池的阴极电极的催化剂，相比于常规的微生物燃料电池，该二氧化锰催化剂能够提高微生物燃料的输出电压，并且以该微生物燃料电池电池处理渗滤液，能有效提高渗滤液中有机污染物COD、氨氮等物质的去除率。

附图说明：

图1是本发明的微生物燃料电池的结构示意图；

图2是实施例1的负载有二氧化锰催化剂的阴极电极循环伏安曲线图；

图3是用微生物燃料电池处理渗滤液的输出电压图；

图4是用微生物燃料电池处理渗滤液7天后COD、氨氮去除率图。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：