[发明专利]一种多级复合氧还原催化剂的制备及应用

说明书

本发明属于环境工程领域，具体涉及到一种微生物燃料电池空气阴极氧还原催化剂的制备，用于受污染的水源中有机物的处理。本发明提供一种用于微生物燃料电池空气阴极氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：a.分别制备过渡金属氰化合物水溶液(A溶液)和过渡金属可溶性盐水溶液(B溶液)两种溶液；将一定量的酞菁分散于无水乙醇溶液中，记作C溶液；b.在磁力搅拌的条件下，将A溶液首先加入到C溶液中，充分搅拌后，再将B溶液逐滴缓慢地加入到上述溶液中，滴加完成后继续搅拌，使其混合均匀等。本发明制备工艺较为简单，使用的原料均为常见的化合物，简单易得，为催化剂的大量制备提供了便利条件。

技术领域：

本发明属于环境工程领域，具体涉及到一种微生物燃料电池空气阴极氧还原催化剂的制备，用于受污染的水源中有机物的处理。

技术背景：

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种利用微生物将污水中有机物的化学能直接转化为电能的装置。其能够在处理污水的同时产生清洁无污染的电能，因此被视为是一种绿色环保且可持续的污水处理装置。但是，在以氧气为阴极电子受体的微生物燃料电池中，阴极上的氧还原反应较缓慢，限制了电池的性能提高。研究发现，通过在阴极上附着高活性催化剂可降低阴极反应活化电势，加快氧还原反应的速率，进而改善MFCs的使用性能。在这些催化剂中，Pt等贵金属的催化效果较好，但是其价格较高，导致微生物燃料电池的成本较大。因此，开发高效且廉价的非贵金属催化剂成为必然的趋势。在目前的非贵金属氧还原催化剂中，现有技术已经公开了含Fe和Co等过渡金属的碳氮催化剂，但是这些催化剂的制备方法较为繁琐，且往往需要使用价格较贵的材料，如三聚氰胺、二甲基甲酰胺、沸石咪唑有机骨架物-8(ZIF-8)、卟啉等，导致这些制备方法难以工业化生产。

类普鲁士蓝是一种具有金属-氰根配位结构的化合物。通过对类普鲁士蓝进行高温裂解，其能够转化为石墨烯包覆合金的结构。中国专利CN106622235B公布了一种将二氧化碳转化为一氧化碳的石墨烯包覆合金纳米催化剂的制备方法，是通过两种金属粉末混合后做成阳极，将石墨棒作为阴极，利用甲烷和掺杂气体的混合气体的反应腔体中放电反应1-6小时，得到所述石墨烯包覆合金纳米催化剂。此种方法操作条件相对苛刻。中国专利CN106825552 B公布了一种利用静电作用将氧化石墨烯分布在合金粉末表面，进而在真空炉中将氧化石墨烯还原成石墨烯。此种制备方法虽然保证了石墨烯分布在金属合金表面，但是原料使用了相对较贵的钛合金，导致生产成本增大，并且难以大规模生产。中国专利CN107497495 A和中国专利CN109174105 A均涉及到以类普鲁士蓝PBA为前驱体制备催化剂，但是催化剂的性能和稳定性有待提高。

为了提高微生物燃料电池空气阴极催化剂的稳定性及降低生产成本，本专利通过以酞菁和类普鲁士蓝为复合前驱体，在高温煅烧的条件下，类普鲁士蓝中氰根转化的石墨烯结构能与酞菁衍生的海绵碳形成一层表面溶合碳，最终得到一种过渡金属/石墨烯/海绵碳多级复合催化剂，从而保护催化剂中内部的金属离子，提高了催化剂的稳定性及活性，对实现催化剂的大规模制备提供了重要参考。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于微生物燃料电池空气阴极氧还原催化剂的制备方法，这种催化剂具备优良的过渡金属/石墨烯/海绵碳多级复合的结构。本发明制备的多级复合催化剂对微生物燃料电池的空气阴极氧还原反应具有较好的催化作用，且制备工艺较为简单，使用的原料均为常见的化合物，简单易得，为催化剂的大量制备提供了较好的便利条件。

本发明涉及的制备方法，包括以下步骤：

a.分别制备过渡金属氰化合物水溶液(A溶液)和过渡金属可溶性盐水溶液(B溶液)两种溶液；将一定量的酞菁分散于无水乙醇溶液中，记作C溶液；

b.在磁力搅拌的条件下，将A溶液首先加入到C溶液中，充分搅拌后，再将B溶液逐滴缓慢地加入到上述溶液中，滴加完成后继续搅拌，使其混合均匀；

c.所述步骤(b)中的混合物通过离心机进行固液分离，留取固体物质，并多次用清水进行洗涤；