[发明专利]一种MOFs复合电催化膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种MOFs复合电催化膜及其制备方法和应用，涉及电催化膜技术领域。其制备方法包括以下步骤：S1：将聚偏氟乙烯按比例溶于有机溶剂中，充分溶解制得聚偏氟乙烯溶液；S2：将制得的聚偏氟乙烯溶液中按比例加入碳粉和金属有机框架材料，充分溶解制得铸膜液，并进行超声脱泡处理；S3：将制得的铸膜液进行制膜，制得MOFs复合电催化膜。本发明还提供了由上述方法制备的MOFs复合电催化膜，其在生物燃料电池中作为阴极材料的应用。本发明可以制得具有较高的抗污染性能和对污水中污染物的降解效率的复合电催化膜。其应用作为生物燃料电池的阴极材料可以进一步提高其对污水中污染物的降解效率和抗污染性能。

技术领域

本发明涉及电催化膜技术领域，具体而言，涉及一种MOFs复合电催化膜及其制备方法和应用。

背景技术

近十几年来，随着水产、养殖、医药等行业的迅速发展，我国的水体环境污染状况日趋严重；污染水体由最初的生活污水、工业废水衍变为地表水、地下水等在全国范围内的污染。在水污染治理技术中，膜技术由于其高效、环保的特点被广范应用。但膜污染问题是限制膜技术广泛使用的瓶颈之一，膜污染导致膜的使用周期变短，清洗频率增高，大大提升了膜处理废水时的运行成本。

微生物燃料电池（MFC）是一种新型的水处理技术，一个典型的MFC是由产电微生物、阳极室、阴极室、质子交换膜、阳极材料、阴极材料等组成，其反应原理是：在阳极，产电菌将有机物氧化为CO₂，释放出电子和质子，电子通过外电路连接到达阴极，质子穿过阳离子交换膜到达阴极，随后在阴极发生氧还原反应(ORR)，即氧气作为电子受体被还原生成水分子，形成稳定的电子回路，实现了污水中有机化学能向电能的转化。然而，由于氧的还原是一个不可逆反应，其反应动力学慢，会造成阴极电势0.3~0.4V的损失；使MFC的广泛应用具有一定的局限性；为了提高MFC的应用性，现有技术将MFC的阴极材料使用铂系催化剂以提高阴极氧还原的电催化活性，以提高MFC的应用。

为了提高水处理的效果和效率，现有技术将MFC和膜技术联用，膜过滤可以提升MFC处理污水后的出水水质，提升污水处理的整体效率；MFC 中电子和质子的定向移动会产生微电场，可以减缓细菌代谢产物等向膜表面的附着，缓解膜污染。

目前，使用铂系催化剂改善MFC阴极材料的提高阴极氧还原的电催化活性的造价较高；而与MFC联用的膜一般为碳膜，其一般用于MFC的阳极材料，且其抗污染性能和对污水中污染物的降解效率还是较低。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种MOFs复合电催化膜的制备方法，可以制备得到具有较高的抗污染性能和对污水中污染物的降解效率的复合电催化膜。

本发明的第二个目的在于提供一种MOFs复合电催化膜，通过制备方法制得的具有较高的抗污染性能和对有机物的降解效率的复合电催化膜。

本发明的第三个目的在于提供一种MOFs复合电催化膜的应用，其可有效应用于生物燃料电池的阴极材料。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种MOFs复合电催化膜的制备方法，包括以下步骤：

S1：将聚偏氟乙烯按比例溶于有机溶剂中，充分溶解制得聚偏氟乙烯溶液；

S2：将制得的聚偏氟乙烯溶液中按比例加入碳粉和金属有机框架材料，充分溶解制得铸膜液，并进行超声脱泡处理；

S3：将制得的铸膜液进行制膜，制得MOFs复合电催化膜。

金属有机框架（Metal organic framework，MOF）是一种无机-有机杂化多孔材料，具有较稳定的晶体结构和较大的比表面积。MOFs是由金属离子/簇(如过渡金属和镧系元素)与有机配体之间的配位反应所产生的。