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_3

文档序号:8300622阅读:来源:国知局
源为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁和氯化亚铁中的一种或其中两种混合物。其他与【具体实施方式】二十九或三十相同。
[0055]【具体实施方式】三十二:本实施方式与【具体实施方式】二十九至三i^一之一不同点是:步骤二中所述的银源为硝酸银。其他与【具体实施方式】二十九至三十一相同。
[0056]【具体实施方式】三十三:本实施方式与【具体实施方式】二十九至三十二之一不同点是:步骤一中所述的铁源与碳源质量比为(4?7):10。其他与【具体实施方式】二十九至三十二相同。
[0057]【具体实施方式】三十四:本实施方式与【具体实施方式】二十九至三十三之一不同点是: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10:1。其他与【具体实施方式】二十九至三十三相同。
[0058]【具体实施方式】三十五:本实施方式与【具体实施方式】二十九至三十三之一不同点是: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10:2。其他与【具体实施方式】二十九至三十三相同。
[0059]【具体实施方式】三十六:本实施方式与【具体实施方式】二十九至三十三之一不同点是: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10:4。其他与【具体实施方式】二十九至三十三相同。
[0060]【具体实施方式】三十七:本实施方式与【具体实施方式】二十九至三十三之一不同点是: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10:5。其他与【具体实施方式】二十九至三十三相同。
[0061]【具体实施方式】三十八:本实施方式与【具体实施方式】二十九至三十七之一不同点是:步骤四中在氮气或氩气条件下以5°C /min的升温速率升温至500?900°C对黑棕色前驱体进行高温碳化还原,并在温度为500?900°C下恒温2h?5h,得到黑色块状产物。其他与【具体实施方式】二十九至三十七相同。
[0062]【具体实施方式】三十八:本实施方式是具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的应用,具体过程如下:首先,按Ag/Fe304/GC与聚四氟乙烯(PTFE)质量比为2:1进行混合,然后将混合物棍压在碳布上,最后将负载催化剂的碳布在50?100°C干燥Ih?5h,制成MFCs阴极。
[0063]采用下述试验验证本发明效果
[0064]试验一:一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5g碳源完全浸渍在铁源溶液中,室温下放置12h,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,得到配位反应产物,将配位反应产物;三、干燥:在温度为60°C下对配位反应产物进行干燥,干燥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1000°C对黑棕色前驱体进行高温碳化还原,并在温度为1000°C下恒温2h,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60°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10:3。
[0065]本试验步骤一中所述的废弃生物质为柚子皮。
[0066]本试验步骤一中所述的铁源为氯化铁。
[0067]本试验步骤二中所述的银源为硝酸银。
[0068]对本试验制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料进行检测,检测结果如图1所示,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,通过图1可以看出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物相组成主要是结晶性良好的纳米Ag粒子,此外,因为Ag的衍射峰强度较大,掩盖了 Fe3O4和GC的特征衍射峰。这种Ag嵌入式的、具有良好导电性的结构使其具有较多的催化活性中心,能够催化空气或水中的氧而产生羟自由基及活性氧离子,从而使得这种催化剂材料既具有良好的氧气还原能力,又具有一定的抑制或杀灭微生物的能力。
[0069]对本试验制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料进行氮气吸附脱附检测,检测结果如图2所示,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,通过图2可以看出,Ag/Fe304/GC的氮气吸附脱附图呈现IV类吸附曲线,表明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都是杂乱无序的孔分布和相互连同的孔体系,属于H3型滞后环;这种结构有利于气体的传输以及与催化剂的良好接触。
[0070]对本试验制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料进行孔径分布检测,检测结果如图3所示,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,通过图3可以看出,制备的Ag/Fe304/GC材料的孔径主要是由介孔和大孔组成,利于氧气在阴极的传输与吸附。
[0071]试验二:具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的应用,具体过程如下:首先,按Ag/Fe304/GC与聚四氟乙烯(PTFE)质量比为2:1进行混合,然后将混合物辊压在碳布上,最后将负载催化剂的碳布在80°C干燥2h,制成MFCs阴极。
[0072]本试验所述的Ag/Fe304/GC为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。
[0073]将试验二制备的MFCs阴极安装在MFCs反应器中,采用的MFCs为单室空气阴极型,尺寸为4cmX Φ3cm ;MFCs的电解液为模拟的生活污水,启动时间大约为7d,在稳定运行后即可以测试电极电位等指标。
[0074]在电极电位的测试过程中通常选取递减的5?10个阻值(50 Ω?5000 Ω )进行测试,每个阻值下MFC需要获得稳定的电压值才能记录并调到下一个阻值。测试过程中,以饱和甘汞电极为参比(氢标电位为+242mV)电极。检测结果图4所示,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,通过图4的电极电位随电流密度的变化图中可以看出,阳极电位基本上变化不大(阳极都是碳刷),也就是说功率输出主要受阴极电位的影响,随着电流密度的增加,Ag/Fe304/GC材料的阴极电位为呈现线性下降,下降趋势较缓,说明本发明制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料适合作为MFCs阴极催化剂。
[0075]试验三:一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,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,得到配位反应产物,将配位反应产物;三、干燥:在温度为60°C下对配位反应产物进行干燥,干燥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1000°C下恒温2h,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2mol/L的硫酸洗涤5h,取出后再采用去离子水洗涤3次,最后在温度为60°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10:3ο
[0076]本试验步骤一中所述的废弃生物质为柚子皮。
[0077]本试验步骤一中所述的铁源为氯化铁。
[0078]本试验步骤二中所述的银源为硝酸银。
[0079]对本试验制备的具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料进行检测,检测结果如图5所示,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,通过图5可以看出,Ag/GC的衍射峰主要对应纳米银的特征峰,与Ag/Fe304/GC的X-射线衍射图基本没有区别;虽然其中的Fe3O4已基本去除完全,但是,在碳化过程中铁物种所起到的石墨化助剂作用不可忽略,增强了 Ag/GC材料的导电性。
[0080]试验四:具有抑菌功能的微生物燃料电池阴极催化剂材料的应用,具体过程如下:首先,按Ag/GC与聚四氟乙烯(PTFE)质量比为2:1进行混合,然后将混合物辊压在碳布上,最后将负载催化剂的碳布在80°C干燥2h,制成MFCs阴极。
[0081]本试验所述的Ag/GC为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。
[0082]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
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