[发明专利]一种基于荷叶的二元介孔-微孔多级结构生物碳及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于荷叶的二元介孔‑微孔多级结构生物碳及其制备方法和应用，该生物碳的制备方法如下：1)将荷叶清洗干净、烘干；2)对干燥过的荷叶进行水热炭化；3)对水热炭化过的荷叶进行高温炭化。本发明的基于荷叶的二元介孔‑微孔多级结构生物碳的比表面积大，且表面有氮和硫共同掺杂的碳微球进行修饰，具有超疏水特性，电化学性能优异，其制备方法简单，成本低廉，将其应用于微生物燃料电池可以获得比传统Pt/C电极更高的化学稳定性，且电池功率密度比Pt/C电极大。

技术领域

本发明涉及一种基于荷叶的二元介孔-微孔多级结构生物碳及其制备方法和应用。

背景技术

在微生物燃料电池(MFC，microbial fuel cell)系统中，阴极室发生的氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)至关重要，需要在高效催化剂的催化作用下才能顺利进行，而阴极材料的表面特性、孔隙、尺寸结构等都对阴极材料的催化性能有很大影响。因此，需要使用结构性能优异的阴极材料，且要求阴极材料的原料来源广泛易得、便宜经济、加工制作简单、不对环境造成二次污染。

传统的MFC阴极材料主要采用铂(Pt)及其合金作为催化剂，此类催化剂的价格昂贵、化学稳定性差、抗干扰性能差，且自然储备极其有限，导致MFCs无法真正实现商业化应用。近年来，碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯纳米片等碳基材料受到了科研工作者的广泛重视，研究发现，将这些碳基材料应用在MFC中可以获得比铂碳电极更大的功率密度，但这些碳基材料普遍存在生产成本高、制备工艺复杂、需要使用有毒的有机物原料等缺陷，无法大规模推广应用。

荷叶，广泛种植于亚热带地区，廉价易得，其表面具有大小约为十几微米的微小乳突，而每个乳突由大量直径为一两百纳米的突起构成，若能够采用安全环保的工艺，在尽可能保留荷叶表面微结构的情况下，将其转化成生物活性炭，即可得到一种高效、稳定、低成本、催化效率高、化学稳定性高的MFC阴极材料，对于解决当前的能源危机和环境污染问题具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于荷叶的二元介孔-微孔多级结构生物碳及其制备方法和应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于荷叶的二元介孔-微孔多级结构生物碳的制备方法，包括以下步骤：

1)将荷叶清洗干净、烘干；

2)将干燥过的荷叶和金属氯化物-铵盐混合溶液加入反应釜，充入保护气，以5～10℃/min的升温速率升温至100～200℃，进行水热炭化；

3)将水热炭化过的荷叶烘干后加入炭化炉，充入保护气，700～1100℃下进行高温炭化，得到基于荷叶的二元介孔-微孔多级结构生物碳。

步骤1)所述烘干在35～75℃下进行，烘干时间为12～24h。

步骤2)所述金属氯化物为氯化锌、氯化铁、氯化钾中的至少一种。

步骤2)所述铵盐为过硫酸铵、硫酸铵、亚硫酸铵中的至少一种。

步骤2)所述金属氯化物-铵盐混合溶液中金属氯化物、铵盐的摩尔比为1：(1～3)。

步骤2)所述金属氯化物-铵盐混合溶液中金属氯化物的浓度为0.05～0.10mol/L。

步骤2)所述水热炭化的时间为1～6h。

步骤3)所述高温炭化的时间为0.5～4h。

本发明的有益效果是：本发明的基于荷叶的二元介孔-微孔多级结构生物碳的比表面积大，且表面有碳微球进行修饰，具有超疏水特性，电化学性能优异，其制备方法简单，成本低廉，将其应用于微生物燃料电池可以获得比传统Pt/C电极更高的化学稳定性，且电池功率密度比Pt/C电极大。