一种活性炭的处理方法技术

本发明专利技术公开了一种活性炭的处理方法，即利用不同浓度的磷酸盐处理活性炭制备空气阴极材料的方法及其在微生物燃料电池中的应用。具体的处理方法是利用浓度为0.5-2M的磷酸盐溶液在80℃的条件下对活性炭进行浸泡处理，改性后的活性炭材料用于制备空气阴极并将其应用于微生物燃料电池。与铂等贵金属催化剂相比，磷酸盐活化活性炭制备的电极材料操作简单，价格低廉，来源广泛，能够大大降低微生物燃料电池的成本；与未处理的活性炭进行对比，经处理后的活性炭制作的空气阴极能够大大提高电池的产电效率。低温磷酸盐处理活性炭的应用能够大大降低微生物燃料池的应用成本，同时提高微生物燃料电池的输出功率，具有很好的研究前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，即利用不同浓度的磷酸盐处理活性炭制备空气阴极材料的方法及其在微生物燃料电池中的应用。具体的处理方法是利用浓度为0.5-2M的磷酸盐溶液在80℃的条件下对活性炭进行浸泡处理，改性后的活性炭材料用于制备空气阴极并将其应用于微生物燃料电池。与铂等贵金属催化剂相比，磷酸盐活化活性炭制备的电极材料操作简单，价格低廉，来源广泛，能够大大降低微生物燃料电池的成本；与未处理的活性炭进行对比，经处理后的活性炭制作的空气阴极能够大大提高电池的产电效率。低温磷酸盐处理活性炭的应用能够大大降低微生物燃料池的应用成本，同时提高微生物燃料电池的输出功率，具有很好的研究前景。【专利说明】
本专利技术属于新能源于环境工程
，具体设计化学活化活性炭材料及其在空气阴极微生物燃料电池中的应用。
技术介绍
当微生物燃料电池技术是一种近年来发展起来的新技术，是一种能够将废水中有机物中的化学能在微生物的作用下直接转化为电能的装置，在产生电能的同时可以降解水中有机物，对废水进行处理，可以在常温常压下的环境中运行，操作条件温和。微生物燃料电池是一项具有广阔应用前景的绿色能源技术，作为一项可持续生物工业技术，是一种理想的新型能源，它为未来能源的需求提供了一个良好的保障。当前，由于其较低的功率输出，因此微生物燃料电池的实际应用受到了很大的限制。这主要是由于微生物对有机物的氧化速率较慢，电池内阻较大，阴极活化电势较低，电荷转移的速率较小等原因造成的。为提高了功率输出，已经做了大量的工作。其中，阴极作为对微生物燃料电池影响最大的因素，受到了很大的关注和研究。采用廉价高效的电极材料，使用简单方便的制作方法，都可以提高微生物燃料电池的产电性和实用性。为提高阴极的性能，可通过高性能的催化剂对其表面进行改性来提高阴极反应活化电势，进而加快反应速率。目前。通常采用的催化剂为钼但是钼作为贵金属，价格昂贵，利用钼作为催化剂大大提高了微生物燃料电池的成本，这就很大程度上限制了微生物燃料电池在实际中的应用。通过使用其他催化剂来替代钼的研究也越来越广泛，如使用MnO2,Fe3O4，等。然而这些采用重金属作为催化剂的研究，容易造成金属离子渗透到溶液中，引起二次污染。活性炭作为价格低廉，容易制得，并且具有很好的催化性能，能够在阴极材料的使用中发挥巨大作用。最近活性炭空气阴极的制作取得了许多突破性进展并且已经被证明具有很好的氧化还原性能。王鑫等人(中国专利CN102655235A)采用的辊压法制作空气阴极，操作相对简单，具有很好的复现性，同时应用于微生物燃料电池也能产生较好的效果。然而，直接利用活性炭作为阴极催化剂材料还存在着活化电位不高，功率密度较低等缺陷。化学活化方法是一种廉价而且有效的活性炭改性方法。Watson (Journal ofPower Sources, 2013, 242:756-761)等研究表明通过氮气处理活性炭，活性炭表面可以形成含氮官能团，能够提高活性炭的氧化还原性能；Yu (Microporous and MesoporousMaterials, 2013， 172:131-135)等的研究活性炭经过酸处理之后，其表面官能团以及孔径结构都会发生变化，进而影响其相应的性质。综上，化学活化方法能够改善活性炭材料的化学性能，然而关于磷酸盐活化活性炭材料进行改性并应用于微生物燃料电池却鲜有报道。磷酸盐的具有一定的酸性，通过对活性炭处理，可以改变活性炭的表面化学性质和物理性质，同时其成本较低，可以降低微生物燃料电池的成本，因此可以利用改性后的活性炭材料来制作微生物燃料电池空气阴极。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用磷酸盐活化活性炭材料制备空气阴极代替贵金属修饰的方法应用于微生物燃料电池中，可以大大降低卫生燃料电池的成本，增加其在实际中应用的可行性。同时，利用活化的活性炭制备的空气阴极应用于微生物燃料电池中能够提高阴极的氧化还原能力，进而提高电池的输出功率。本专利技术的主要内容如下: ，是以活性炭材料为基体，利用磷酸盐处理活性炭改变其表面性质，得到一种阴极材料，制得相应的空气阴极；包括如下步骤:(I)首先，利用去离子水对活性炭材料进行清洗；(2)然后，在80°C条件下，利用摩尔浓度为0.5-2M的磷酸盐溶液进行浸泡活化，搅拌处理12-24小时；(3)清洗，烘干，即得到所要的空气阴极材料。所述活性炭材料是普通活性炭、超级电容活性炭或碳纤维活性炭。所述磷酸盐包括了磷酸、磷酸一氢钠、磷酸二氢钠或磷酸钠。所述的活性炭的处理方法制备的空气阴极在微生物燃料电池中的应用，所述的阴极材料作为空气阴极的催化层。所述磷酸盐处理的浓度在0.5-2M之间。本专利技术验证磷酸盐化学活化活性炭空气阴极应用于微生物燃料电池的过程如下:第一步:磷酸盐活化活性炭材料的制备与表征将活性炭材料置于去离子水中浸泡处理12小时，之后进行清洗、风干，然后在80°C的真空干燥箱中，用磷酸盐溶液进行浸泡，同时进行搅拌。若干小时后，利用去离子水进行清洗，并烘干。将活性炭材料制备成空气阴极，分别对活化前后的空气阴极进行电化学测试(LSV、EIS);表面形貌测试(SEM);且对活化前后的活性炭材料进行X射线光电子能谱(XPS)分析，研究其官能团种类以及数量的变化。第二步:微生物燃料电池的组装微生物燃料电池的装置采用一个体积为28mL，长度为4厘米，阴极区域直径为3厘米，有四个螺母固定的长方体机玻璃反应器。阳极采用处理后的碳毡，置于封闭的一端；阴极采用制得的活性炭阴极材料制成的空气阴极，获得的阴极材料作为催化层，作为接触水的一面，阴极和阳极通过钛线连接到外端，中间连接电阻为1000欧姆的电阻。输出电压通过数据采集器自动记录到电脑上。第三步:微生物燃料电池的启动和性能测试在微生物燃料电池组装完成后，使用城市污水厂废水进行接种培养，接种后，采用溶解于磷酸盐缓冲液中的乙酸钠作为营养物质，同时加入适量微量元素和矿物元素。1-2天为电池的一个循环，待电压下降到IOOmV,更换电池培养液，电池启动后，待电压达到稳定后，测定微生物燃料电池的极化曲线和功率密度曲线。与现有技术相比，本专利技术的优点在于:(I)与未活化的活性炭相比，磷酸盐修饰改性后的活性炭材料制备的空气阴极具有更高的氧化还原性能，应用于微生物燃料电池中能够很大的提高功率输出；(2)与钼等贵重金属催化剂相比，磷酸盐的价格低廉，来源广泛，而且活化的温度较低，方法十分简单且容易操作；(3)利用磷酸盐活化的活性炭材料制备的空气阴极组装电池，可以大大降低微生物燃料电池的构造成本，而且可以长期稳定有效的运行。【专利附图】【附图说明】图1实施例1微生物燃料电池的构造示意图；图2实施例1磷酸活化活性炭后线性扫面伏安曲线比较；图3实施例1活化前后空气阴极的电化学阻抗比较；图4实施例1活化前后的活性炭材料的XPS比较；图5实施例1微生物燃料电池的功率密度曲线比较；图6实施例1微生物燃料电池的阴阳极电势变化图；图7实施例2磷酸盐活化活性炭后线性扫面伏安曲线比较；图8实施例2微生物燃料电池的功率密度曲线比较；图9实施例3微生物燃料电池的功率密度曲线比较；表1处理前后活性炭材料不同元素含量变化；表2处理前后活性炭材料表面官能团变化。【具体实施方式】实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活性炭的处理方法，其特征在于，所述方法是以活性炭材料为基体，利用磷酸盐处理活性炭改变其表面性质，得到一种阴极材料，制得相应的空气阴极；包括如下步骤：（1）首先，利用去离子水对活性炭材料进行清洗；（2）然后，在80℃条件下，利用摩尔浓度为0.5‑2M的磷酸盐溶液进行浸泡活化，搅拌处理12‑24小时；（3）清洗，烘干，即得到所要的空气阴极材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李克勋，陈志豪，张鹏，张希，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12