具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料及制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种微生物燃料电池阴极催化剂材料及制备方法。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(MFC)的特点是从微生物氧化分解有机底物的自然生理代谢过程中提取能量，进行生物发电；是一项全新的、绿色环保的能源技术，是各国新能源开发和利用的重要战略，具有很好的应用前景。MFC也是由阳极和阴极组成，有机底物在电池阳极上微生物的代谢(呼吸)作用下失去电子发生氧化。电子经由外电路的传输到达阴极，与氧化态物质即电子受体(氧气等)以及阳极迀移来的质子在阴极表面发生还原反应。电子受体在阴极催化剂上的还原速率是决定电池输出功率的一个重要因素，因此该步骤也是MFC产电过程的关键。
[0003]对于众多性能优异的阴极催化剂，是什么因素限制MFC功率输出的进一步提升，这可能是大部分催化剂都面临的问题。O2的标准电极电位为1.229V，在此电位下，大多数金属或氧化物在水中不稳定(某些复合体催化剂会稳定些)，而且在催化剂表面往往会吸附氧或含氧离子，甚至生成各种氧化层(腐蚀层)，从而改变电极的表面特性。那么，除了水中成分影响之外，微生物的存在是否会影响阴极的氧还原性能？在单室MFC中，附着生长能力强的异养微生物仍然会利用成分复杂的有机废水或污泥中的基质，在阴极催化剂表面形成生物膜，其中细菌的增殖、代谢与衰亡会消耗阴极表面大量O2，进而给阳极产电菌活性、电子传递、质子迀移造成阻碍，最终造成02催化还原反应效率与催化剂活性大大降低。尤其是对于以简单、廉价而著称的单室无膜MFC而言，阴极生长的好氧生物膜是不利性的，严重阻碍了无膜MFC的产电功能。
[0004]因此，研发微生物生长抑制型与高效的O2还原反应催化剂可以极大地改善MFC阴极的氧还原条件、降低反应的活化能，从而提高单室MFC的产电能力。提到能够将微生物生长抑制与催化O2还原相结合的催化剂，我们自然会想到Ag这种常用的贵金属氧还原催化剂。Ag具有良好的导电性和较稳定的物理化学性能，Ag晶粒上的晶格缺陷就是O2还原催化反应的活性点。
[0005]因此，此项专利技术拟在单室MFC中实现有效阴极抑菌及氧还原与产电效率的提高，通过同步合成高稳定性与高导电性的纳米Ag与晶态碳(kg/C)复合体，探宄Ag/C复合体MFC电极反应的催化过程和降低活化内阻的规律，了解抑菌与氧还原需氧之间的相互关系，进一步提高MFC的功率输出；探讨有效吸附于电极表面的分子氧是如何在Ag/C表面发生反应的，进而分析氧还原反应途径。通过解决以上提出的科学问题，可为建立高效的单室MFC同步降解有机废水与产电提供技术支持；为今后具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的规模化生产应用提供依据。
【发明内容】
[0006]本发明目的是要解决现有微生物燃料电池阴极催化剂易于在其表面形成生物膜而给电子传递造成阻碍、进而造成02催化还原反应效率与催化剂活性大大降低的问题，而提供具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料及制备方法。
[0007]一种具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源、碳源和银源制备而成，所述的铁源与碳源质量比为(4?8): 10 ;所述的银源与铁源质量比为(I?5): 10 ;所述的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料为Ag/Fe304/GC，Ag/Fe304/GC中所述的GC为石墨化碳，纳米Ag和纳米Fe3O4粒子均勾分布在石墨化碳体相中，为嵌入式结构。
[0008]一种具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的:一、制备首次配位反应产物:首先对废弃生物质的表面清理干净，得到碳源，将铁源溶于水中，得到铁源溶液，然后将碳源完全浸渍在铁源溶液中，室温下放置12h?24h，得到首次配位反应产物；二、制备配位反应产物:将银源溶于水中，得到银源溶液，再将银源溶液加入首次配位反应产物中，再于室温放置12h?24h，得到配位反应产物，将配位反应产物；三、干燥:在温度为40?80°C下对配位反应产物进行干燥，干燥12h?24h，得到黑棕色前驱体；四、碳化:在氮气或氩气条件下以5°C /min的升温速率升温至500?1000°C对黑棕色前驱体进行高温碳化还原，并在温度为500?1000°C下恒温Ih?6h，得到黑色块状产物，对黑色块状产物依次进行研磨和去离子水洗涤，最后在温度为40?80°C下干燥至恒重，即得到具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料；所述的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料为Ag/Fe304/GC，Ag/Fe304/GC中所述的GC为石墨化碳，纳米Ag和纳米Fe3O4粒子均勾分布在石墨化碳体相中，为嵌入式结构；步骤一中所述的铁源与碳源质量比为(4?8): 10 ;步骤二中所述首次配位反应产物中的铁源与银源的质量比为
10: (I ?5) O
[0009]一种具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源、碳源和银源制备而成，所述的铁源与碳源质量比为(4?8): 10 ;所述的银源与铁源质量比为(I?5): 10 ;所述的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料为Ag/GC，Ag/GC中所述的GC为石墨化碳，纳米Ag均勾分布在石墨化碳体相中，为嵌入式结构。
[0010]一种具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的:一、制备首次配位反应产物:首先对废弃生物质的表面清理干净，得到碳源，将铁源溶于水中，得到铁源溶液，然后将碳源完全浸渍在铁源溶液中，室温下放置12h?24h，得到首次配位反应产物；二、制备配位反应产物:将银源溶于水中，得到银源溶液，再将银源溶液加入首次配位反应产物中，再于室温放置12h?24h，得到配位反应产物，将配位反应产物；三、干燥:在温度为40?80°C下对配位反应产物进行干燥，干燥12h?24h，得到黑棕色前驱体；四、碳化:在氮气或氩气条件下以5°C /min的升温速率升温至500?1000°C对黑棕色前驱体进行高温碳化还原，并在温度为500?1000°C下恒温Ih?6h，得到黑色块状产物；五、酸洗:对黑色块状产物依次进行研磨，然后浸入浓度为lmol/L?5mol/L的硫酸洗涤Ih?5h，取出后再采用去离子水洗涤2?5次，最后在温度为40?80°C下干燥至恒重，即得到具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料；所述的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料为Ag/GC，Ag/GC中所述的GC为石墨化碳，纳米Ag均匀分布在石墨化碳体相中，为嵌入式结构；步骤一中所述的铁源与碳源质量比为(4?8):10 ;步骤二中所述首次配位反应产物中的铁源与银源的质量比为10: (I?5)。
[0011]本发明优点:
[0012]一、本发明方法制备的具有抑菌功能的Ag/Fe304/GC或Ag/GC微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用废弃的生物质为碳源，得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性，实现了废物的资源化。
[0013]二、本发明方法制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料，可以在抑制阴极异养微生物附着生长的同时，对阳极产电菌不会产生影响。
[0014]三、本发明方法制备的Ag/Fe304/GC或Ag/GC催化剂应用在MFCs中，可以得到与Pt/等贵金属催化剂相媲美的产电性能，有效降低了催化剂的成本，为今后MFCs的规模化生产应用提供理论依据。
【附图说明】
[0015]图1是试验一制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射图；
[0016]图2是试验一制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的氮气吸附脱附图；
[0017]图3是试验一制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的孔径分布图；
[0018]图4是的电位图，图中籲表示阴极电位图，图中▼表示阳极电位图；
[0019]图5是试验三制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射图；
[0020]图6是COD去除率曲线，图中.表示以Pt/C为阴极的MFCs反应器的COD去除率曲线，图中〇表示以试验二制备的MFCs阴极为阴极的MFCs反应器的COD去除率曲线，图中Λ表示以试验四制备的MFCs阴极为阴极的MFCs反应器的COD去除率曲线；
[0021]图7是库伦效率曲线，图中■表示以Pt/C为阴极的MFCs反应器的库伦效率曲线，图中〇表示以试验二制备的MFCs阴极为阴极的MFCs反应器的库伦效率曲线，图中Λ表示以试验四制备的MFCs阴极为阴极的MFCs反应器的库伦效率曲线；
[0022]图8是功率密度曲线，图中■表示以Pt/C为阴极的电池的功率密度曲线，图中〇表示以试验二制备的MFCs阴极为阴极的电池的功率密度曲线，图中Λ表示以试验四制备的MFCs阴极为阴极的电池的功率密度曲线；
[0023]图9是极化曲线，图中■表示以Pt/C为阴极的电池的极化曲线，图中〇表示以试验二制备的MFCs阴极为阴极的电池的极化曲线，图中Λ表示以试验四制备的MFCs阴极为阴极的电池的极化曲线。
【具体实施方式】
[0024]【具体实施方式】一:本实施方式是一种具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料，由铁源、碳源和银源制备而成，所述的铁源与碳源质量比为(4?8): 10 ;所述的银源与铁源质量比为(I?5):10 ;所述的具有抑菌功能