一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用技术

技术编号:19010797 阅读:24 留言:0更新日期:2018-09-22 10:25
本申请属于电化学催化技术领域,具体涉及一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用。本发明专利技术所提供的制备方法包括:将Ti3AlC2和浓HF溶液混合,在60℃~80℃下反应24h~36h,得到Ti3C2Tx作为MXene材料;将MXene材料分散于无水乙醇中,加入粘合剂,混合,得到浆料;将浆料刷覆于碳毡表面,干燥,得到光热生物阳极;其中,MXene材料和粘合剂的比例为(100~300)mg:(0.1~0.2)mL。本发明专利技术方法操作简单、成本经济,通过上述方法制得的生物阳极具有良好的光热效应,可应用于制备微生物电化学系统和微生物燃料电池,能在低温环境下利用太阳能为微生物生长提供合适的热量,成本经济。

【技术实现步骤摘要】
一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用
本专利技术属于电化学催化
,具体涉及一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用。
技术介绍
微生物电化学系统是一种既能处理废水,又能通过降解废水中有机物转化产生电能的新技术,成为了当前电化学催化领域的研究热点。然而,低温环境不利于微生物生长,微生物电化学系统在冬天低温下难以启动,运行效果差,产电效果低,限制了微生物电化学系统的实际应用。目前,为了克服上述问题,曾尝试过加热保温整个废水进水系统的方法。然而该法废水处理效果较差,而且还大幅度提高了废水处理的成本,实用性差。因此,如何寻找一种经济、有效地提高微生物电化学系统低温下运行效果的方法至关重要。
技术实现思路
为了解决上述技术问题,本专利技术的目的在于提供一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用。本专利技术的具体技术方案如下:一种光热生物阳极的制备方法,包括:a)将Ti3AlC2和浓HF溶液混合,在60℃~80℃下反应24h~36h,得到Ti3C2Tx作为MXene材料;b)将步骤a)的MXene材料分散于无水乙醇中,加入粘合剂,混合,得到浆料;c)将步骤b)的浆料刷覆于碳毡表面,干燥,得到所述光热生物阳极;其中,所述MXene材料和粘合剂的比例为(100~300)mg:(0.1~0.2)mL。优选地,所述浓HF溶液的质量百分比浓度为40%~49%。优选地,所述Ti3AlC2和浓HF溶液的混合比为1g:20mL。优选地,所述反应的时间为24h,反应温度为60℃。优选地,所述粘合剂为全氟磺酸型聚合物。优选地,所述MXene材料和粘合剂的比例为(100~300)mg:(0.1~0.2)mL。优选地,所述干燥的时间为12h~24h,干燥温度为60℃~80℃。本专利技术还提供了一种由上述制备方法得到的光热生物阳极,包括:碳毡,以及涂覆在所述碳毡表面的MXene材料层。优选地,所述MXene材料层的投影面积为4cm2;所述碳毡厚0.5cm。本专利技术还提供了如前述制备方法得到的光热生物阳极在制备微生物电化学系统和微生物燃料电池中的应用。综上所述,本专利技术首先通过HF刻蚀Ti3AlC2得到具有良好光热效应的Ti3C2Tx,然后将Ti3C2Tx作为MXene光热材料应用于制备生物阳极中,利用其光热作用将太阳能转化为热能,加热保温生物阳极表面,提高微生物的生长环境温度,确保低温条件下微生物电化学系统和微生物燃料电池的高效运行。提供了一种具有良好光热效应的光热生物阳极,应用于微生物电化学系统或微生物燃料电池中,能在低温环境下为微生物生长提供合适的热量,成本经济。本专利技术方法操作简单、成本经济,通过上述方法制得的生物阳极具有良好的光热效应。经实验证明,在同等光照条件下,由本专利技术制备的生物阳极应用于微生物电化学系统和微生物燃料电池中,其电流时间响应曲线较普通碳毡具有更高的电流,其产电性能亦优于普通碳毡电极。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为MXene纳米层状材料的SEM图;图2为光热生物阳极的SEM图;图3为对照品普通碳毡在太阳光照射下表面升温的红外热成像;图4为样品光热生物阳极在太阳光照射下表面升温的红外热成像;图5为对照组1和实验组1的时间和电流密度响应曲线;图6为对照组2和实验组2的输出电压随时间的变化曲线;图7为对照组2和实验组2的功率密度随电流密度的变化曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术的实施例,对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。以下实施例所采用的所有原料均为市售产品;在其他实施例中,上述原料也可采用本领域常规技术手段进行常规合成得到。实施例1本实施例制备了一种光热生物阳极,其具体制备过程包括以下步骤:1、取200目筛、0.5g的Ti3AlC2置于50mL的聚四氟乙烯烧杯中,加入10mL质量百分比浓度为48%的HF溶液,将烧杯置于磁力搅拌器上进行搅拌混合;然后,加热至60℃,恒温反应24h,离心,得到Ti3C2Tx作为MXene材料;接着,将MXene材料用去离子水和无水乙醇交替反复洗涤至洗涤液为中性,再将其置于真空干燥箱中80℃干燥24h,取出,研磨过200目筛,得到MXene纳米层状材料。2、取0.25mg的MXene纳米层状材料分散于0.5mL的无水乙醇中,加入0.1mL粘合剂,搅拌混匀,得到浆料;其中,粘合剂选为全氟磺酸型聚合物溶液。3、将浆料用碳刷均匀涂覆于碳毡的其中一个表面,重复涂覆2次,每一次涂完后在40℃下干燥0.5h,得到光热生物阳极。图1为MXene纳米层状材料的SEM图,图2为光热生物阳极的SEM图。实施例2光热转化性能测试1、分组取普通碳毡设为对照品;取实施例1制备的光热生物阳极设为样品。2、阳光照射将对照品和样品曝露于太阳光下进行照射,采用光功率密度计(TES-1333)测定太阳光功率密度为1000W/m2,利用红外热成像相机(FTIRETS320)观察测定对照品和样品的表面升温过程,待其表面温度恒定,对其进行红外热成像拍照,结果如图3和图4所示。通过对比可发现,由本专利技术制备的MXene纳米层状材料具有较好的吸光能力和光热转化效果,其具有较宽的吸收光谱,吸收的光波段范围可从紫外到红外波段,特别是对红外和近红外有较好的吸收,制备出具有光热效应的生物阳极。在光照环境下,本专利技术的生物阳极能将太阳光辐射转化为热能,加热保温生物阳极,增强微生物活性,提高低温条件下生物电化学系统和微生物燃料电池的运行效果和产电性能。实施例3在三电极生物电化学系统中的应用效果1、按照传统方法构建三电极电化学系统装置,并通过外部循环水系统控制反应容器中的环境温度,分别以普通碳毡、实施例1制备的光热生物阳极作为阳极,分设为对照组1和实验组1。对照组1和实验组1的阳极均裁剪为4cm×4cm的方形形状,厚度为0.5cm,以钛丝为辅助电极,以饱和甘汞电极为参比电极,构建三电极体系微生物电化学系统。2、采用厌氧混合菌种液和乙酸钠培养液,置于30℃恒温培养箱中进行培养,并连接至电化学工作站(上海辰华,CHI1000C)记录微生物在电极上产生电流随时间的变化曲线,电流值越大,则电极性能越好。其中,乙酸钠培养液成分组成为:NaH2PO4·2H2O(2.77g/L)、Na2HPO4·12H2O(11.40g/L)、NH4Cl(0.31g/L)、KCl(0.13g/L)、CH3COONa(1.0g/L)、维生素溶液(10mL/L)和矿物质溶液(10mL/L)。3、待电流密度达到稳定后,在不同环境温度下利用模拟太阳光照模拟灯(1000W/m2)对涂有MXene材料单面进行2个周期照射,得到的时间和电流密度响应曲线如图5所示。实施例4在微生物燃料电池(MFC)中的应用效果1、按照传统方法构建微生物单室空气阴极燃料电池,以有机本文档来自技高网...
一种光热生物阳极的制备方法和光热生物阳极及其应用

【技术保护点】
1.一种光热生物阳极的制备方法,其特征在于,包括:a)将Ti3AlC2和浓HF溶液混合,在60℃~80℃下反应24h~36h,得到Ti3C2Tx作为MXene材料;b)将步骤a)的MXene材料分散于无水乙醇中,加入粘合剂,混合,得到浆料;c)将步骤b)的浆料刷覆于碳毡表面,干燥,得到所述光热生物阳极;其中,所述MXene材料和粘合剂的比例为(100~300)mg:(0.1~0.2)mL。

【技术特征摘要】
1.一种光热生物阳极的制备方法,其特征在于,包括:a)将Ti3AlC2和浓HF溶液混合,在60℃~80℃下反应24h~36h,得到Ti3C2Tx作为MXene材料;b)将步骤a)的MXene材料分散于无水乙醇中,加入粘合剂,混合,得到浆料;c)将步骤b)的浆料刷覆于碳毡表面,干燥,得到所述光热生物阳极;其中,所述MXene材料和粘合剂的比例为(100~300)mg:(0.1~0.2)mL。2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述浓HF溶液的质量百分比浓度为40%~49%。3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述Ti3AlC2和浓HF溶液的混合比为1g:20mL。4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述反应的时间为24h,反应温度为...

【专利技术属性】
技术研发人员:袁勇王逸周丽华宁寻安
申请(专利权)人:广东工业大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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