[发明专利]一种氧化镍碳纳米管催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物能源材料领域，具体涉及氧化镍负载碳纳米管催化剂的制备方法和应用。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是利用微生物作为生物催化剂降解底质(有机物),实现电能输出的电化学装置。MFCs的独特产电方式可以解决能源危机并且同时达到处理废水的效果。但是，关于MFCs的研究还处于实验室的研究阶段，如果想将此技术应用于实际工程则仍然面临着许多挑战，其中，产电能力较低且无法满足现实需求是限制该技术商业化的主要障碍之一。

影响MFCs产电能力低的因素有很多，其中，阴极低效的氧还原性能(氧还原热力学和动力学过程)限制了MFC性能。贵金属Pt作为一种贵金属被广泛报道,该贵金属作为微生物燃料电池阴极催化材料可大幅度提高MFC阴极的氧还原反应速率，降低MFC系统内阻大小，促使整个微生物燃料电池系统的产电性能(电压输出、功率密度)提高。但是，Pt金属不仅成本高，而且容易引起催化剂中毒现象。寻求一种高效的非贵金属材料取代Pt催化剂已经成为微生物燃料电池的一个热点方向。

目前，碳纳米管(CNT)作为一种新型的纳米材料，因其较大的比表面积，快速电子传递能力以及优良的化学稳定性和机械强度而成为非常理想的阴极催化剂载体材料，但是CNT之间的强的范德华力相互作用导致了CNT具有很强的惰性，使其不溶于水及常用的有机溶剂，而且碳管容易相互缠绕团聚，这就给进一步的应用带来了一定的困难。

为了改善碳纳米管的性能,可以在其表面修饰一定量的金属或金属氧化物(如MnO、Fe、Co、合金或过渡金属氧化物)，使其形成复合材料，大大提高电子传递的能力。氧化镍(NiO)这种电极材料大多运用于化学燃料电池中，然而几乎没有运用在微生物燃料电池中。与其它的金属氧化物相比，氧化镍(NiO)制备方法广、简单，制备成本低。但是，由于氧化镍颗粒比表面积较小及其较大的电阻力，使其化学活位点较少，进而限制氧化镍作为电极的使用。

发明内容

本发明目的之一是提供一种氧化镍负载碳纳米管催化剂制备方法。

本发明的目的之二是提供上述催化剂的应用。

本发明方法改善了CNT的惰性和疏水性，PDDA是一种强阳离子聚电解质，在污水处理、采矿和矿物加工过程作为阳离子混凝剂；在纺织行业用作无醛固色剂；在造纸过程中，用作阴离子垃圾捕捉剂、AKD熟化促进剂；在油田行业用作钻井用粘土稳定剂及注水中的酸化压裂阳离子改性剂。此外，还用作调节剂、抗静电剂、增湿剂、洗发剂和护肤用的润肤剂等。

用聚二烯基丙二甲基氯化铵(PDDA)处理过的CNT，使得CNT和PDDA之间以π-π和静电的形式相互作用，防止CNT形成团聚，改善CNT在水中的分散情况。这种改性CNT方法与用强酸改性的方法相比能减少对碳纳米管的内部结构的损害，保持碳纳米管传递电子及机械结构的完整。为贵金属催化剂的负载提供了更多的吸附、配位及置换官能团；同时也能够提供更多的化学活性位点。

本发明的目的是通过以下技术步骤实现的：

一种氧化镍碳纳米管催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)PDDA处理碳纳米管：将碳纳米管置于0.5～3wt％PDDA水溶液中超声分散，获得均一的黑色溶液；

(2)将步骤(1)的黑色溶液与NiCl₂水溶液混合，用氨水调pH 10～11，搅拌均匀，并用去离子水和乙醇分别洗涤，经过滤、干燥得到黑色沉淀物；

(3)将沉淀物在380～420℃马弗炉下煅烧2～3小时，即制氧化镍碳纳米管催化剂。

所述碳纳米管与Ni²⁺的质量比为1：(0.16～1.17)。

所述PDDA水溶液的质量分数为1％。

所述分散时间为0.5～1h。

上述方法制备的述氧化镍碳纳米管催化剂在MFC中的应用，将氧化镍碳纳米管催化剂制备MFC空气阴极材料后，组装单室无膜空气阴极MFC并运行。

所述MFC空气阴极材料的制备：先在基体材料涂上碳基层，然后在另外一面涂上4层PTFE层作为扩散层，最后，在已经涂好碳基层上涂氧化镍碳纳米管催化剂。

MFC的运行过程中是取1：1体积比沼气池底泥上清液和沼渣作为接种物，并将接种物和1g·L^-1的葡萄糖营养液按照1:1的体积比混合后接种于MFC，在温度为30℃，外阻1000Ω的条件下运行。