[发明专利]一种壳聚糖-过渡金属离子复合改性阴极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种壳聚糖‑过渡金属离子复合改性阴极材料及其制备方法与应用，属于阴极材料制备技术领域。本发明提供的壳聚糖‑过渡金属离子复合改性阴极材料在碳材料表面接枝良好生物相容性的壳聚糖并利用其极好的配位能力引入电子转移中介体过渡金属离子，高价壳聚糖过渡金属配合物得到电子变成低价壳聚过渡金属配合物，低价壳聚糖过渡金属配合物被海水中的溶解氧氧化为高价壳聚糖过渡金属配合物，通过该过程加速阴极上氧气的还原过程，进而提高抗极化能力和功率密度。本发明提供的制备方法简单，且成功的将壳聚糖和过渡金属离子接枝到碳材料上。

技术领域

本发明涉及阴极材料技术领域，尤其涉及一种壳聚糖-过渡金属离子复合 改性阴极材料及其制备方法与应用。

背景技术

海洋探测是人们进行海洋研究的重要手段，它们需要连续的电源驱动仪 器工作，一旦电源消耗完毕，它们将失去功能。因此，持续可靠电源补给是 仪器工作的前提和瓶颈。海底沉积物微生物燃料电池(MSMFCs)是一种可 以将沉积物中有机物的化学能转化为电能的新型电化学装置。但输出功率低、 运行费用高且性能不稳定等严重制约了MSMFCs的实际应用。

影响MSMFCs性能的主要因素有产电微生物、阴极催化剂、电极材料、 反应器构型及运行参数等。目前，人们的研究主要集中在对海底生物燃料电 池阳极改性以提高输出功率，而通过对电池阴极改性提高电池性能的研究比 较少。而且，传统的阴极改性主要通过提高电极的面积，增加氧气的反应位 点，进而提高阴极电化学性能。但是通过提高电极的面积提高阴极电化学性 能，需要相应增大阴极尺寸，不利于实海施工和装备布放，具有局限性，且 电化学性能提高的不多。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种壳聚糖-过渡金属离子复合改性阴 极材料及其制备方法与应用。本发明提供的壳聚糖-过渡金属离子复合改性阴 极材料能够加速阴极上氧气的还原过程，进而提高抗极化能力和功率密度， 能够很好地应用于海底微生物燃料电池中。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种壳聚糖-过渡金属复合改性阴极材料，所述壳聚糖-过渡 金属离子复合改性阴极材料以碳材料为基底，所述碳材料通过酰胺共价键与 壳聚糖相连；所述壳聚糖与过渡金属离子形成配合物。

优选地，所述碳材料为碳纤维刷、碳毡、碳棒、碳布、泡沫碳、碳纳米 管或石墨碳。

优选地，所述过渡金属离子为铁离子、锰离子、钴离子或镍离子。

本发明还提供了上述技术方案所述的复合改性阴极材料的制备方法，包 括以下步骤：

将碳原料依次进行热处理和氧化处理，得到碳材料；

将所述碳材料、壳聚糖、吡啶和碱混合，进行化学接枝反应，得到壳聚 糖接枝碳材料；

将所述壳聚糖接枝碳材料与过渡金属离子水溶液混合，进行络合反应， 得到所述复合改性阴极材料。

优选地，所述热处理的温度为300～400℃，时间为0.5～1小时。

优选地，所述氧化处理用试剂为浓硫酸或浓硝酸；所述氧化处理的温度 为80～90℃，时间为2～3h。

优选地，所述碳材料和壳聚糖的质量比为(5～20)：(0.01～20)。

优选地，所述化学接枝反应的温度为80～90℃，时间为2～3小时。

优选地，所述络合反应的pH值为6～8，时间为3～5小时。

本发明还提供了上述技术方案所述的壳聚糖-过渡金属复合改性阴极材料 或上述技术方案所述的制备方法得到的壳聚糖-过渡金属复合改性阴极材料在 海底微生物燃料电池中的应用。