[发明专利]一种微生物电解池阴极材料的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种钴、镍微生物电解池阴极材料的制备方法及其在微生物电解池中的应用。

背景技术

随着经济日益发展，环境污染越来越严重，环境问题受到广泛关注。微生物电解池(MEC)利用微生物分解污水中有机物同时在阴极析出氢气，不仅在一定程度上解决了水环境污染问题，同时也为解决能源问题提供了新方向。

为提高产氢效率，微生物电解池研究热点之一即是阴极材料的选择和优化。传统的阴极材料包括Pt阴极催化剂、不锈钢网、碳素材料等等。Pt电极因其较低的产氢过电势、良好的导电性能被广泛应用，然而Pt的价格昂贵，经济成本高，并且Pt易与废水中的硫化物等有机物结合而中毒，不利于微生物电解池在实际废水中的应用。故Pt电极违背了MEC制氢所要求的节能、环保的初衷。不锈钢网催化活性较低。碳素材料具有较大的析氢过电势，能耗较大。镍、钴系元素作为非贵金属，价格较低廉，电催化活性高，析氢过电势小，同时具有良好的导电性、耐腐蚀性能。专利号为CN102227028A研究了一种微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性方法,它解决了现有镍基体空气阴极材料孔隙度过大而影响微生物燃料电池性能问题。但是操作过程复杂，耗时间。专利号为CN103290425A研究了以驯化好的微生物作为MEC的阴极材料，但是其存在阴阳极微生物驯化操作繁琐、驯化周期较长且活性较难控制等缺点，不能确保稳定且高效的产氢。专利号为CN106630177A研究了一种利用微生物电解池处理焦化废水并产氢的方法，该专利中利用焦化活性菌为催化剂，碳毡为阳极，载Pt碳布为阴极，构建微生物燃料电池，待电流达到稳定最高值后转为微生物电解池，用于处理焦化废水同步产氢。但是，该发明中所采用的阴极载Pt碳布比表面积小，价格比较昂贵，尤其是碳布上的Pt催化剂在微生物电解池氢气环境中发生失活现象，析氢催化活性及稳定性大受影响。

发明内容

本发明旨在提供一种微生物电解池阴极材料制备方法，以碳基材料为基体，通过恒电位电镀法将Co²⁺、Ni²⁺沉积在其上，并将电镀好的碳基镍钴材料应用到一系列废水微生物电解池体系作为阴极材料，实现同步处理废水并且产氢。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种微生物电解池阴极材料，通过下述方法制备得到：

(1)阴极碳基基底的预处理：将阴极碳基基底依次进行以下处理：

第一步蒸馏水冲洗；

第二步在0.5mol/L HCl中浸泡2-3h；

第三步在0.5mol/L NaOH中浸泡2-3h；

第四步在去离子水中浸泡5-6h；

第五步用蒸馏水冲洗至PH值为6.8-7.2；

第六步在120℃温度下干燥12-13h即可；

(2)按照常规方法配制Co²⁺电镀液或者Ni²⁺电镀液或者Co²⁺和Ni²⁺混合电镀液；

(3)在三电极体系下，以碳基基底为工作电极，铂网为对电极，银-氯化银电极为参比电极，设置电镀电位和电镀时间，在步骤(2)配好的电镀液中进行恒电位电化学沉积；

优选地，本发明所述步骤(1)中的阴极碳基基底为碳纸、碳布、碳毡、碳纤维、碳棒或者碳纳米管。

优选地，本发明所述步骤(2)中Co²⁺电镀液浓度为0.03-0.12molL，所述的Ni²⁺电镀液浓度为0.05-0.15mol/L，所述的Co²⁺和Ni²⁺混合电镀液的浓度为0.02-0.18mol/L。

优选地，本发明所述步骤(3)中电镀时的初始电位设置为-0.8V～-2.0V；电镀时间设置为200s-1000s。

本发明制备的碳基镍钴材料作为阴极应用于微生物电解池。

优选地，本发明所述的微生物电解池可以处理多种废水：焦化废水、化工厂废水、造纸厂废水、生活污水、啤酒厂污水、养猪场污水或者食品厂污水。

本发明微生物电解池的启动具体步骤((1)-(9))同公开号为CN106630177A专利，步骤(10)为本发明制备的碳基镍钴材料作为阴极应用于平稳运行的微生物电解池：

(1)细菌的活化：