一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法技术

一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法，它涉及一种微生物燃料电池阴极催化剂材料及其制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有采用铂碳催化剂作为微生物燃料电池阴极催化剂材料存在成本高的问题。一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料。方法：一、溶解；二、水浴加热；三、干燥；四、高温碳化还原，即得到氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。本发明专利技术用于制备氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法
本专利技术涉及一种微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法。
技术介绍
微生物燃料电池(MicrobialFuelCells，简称MFCs)是一种新型的清洁能源装置，利用微生物的催化作用，将降解污水中有机物的化学能转化为生物电能。在阳极上的微生物分有机废物产生质子和电子，产生的电子由电子转移媒介传递到阳极材料上，继而通过外电路到达阴极，由此产生外部电流，同时产生的质子通过质子交换膜到达阴极，在阴极催化界面处与电子、氧气发生还原反应生成水，从而完成电池内部电荷的传递。MFCs的底物(污水)来源广泛、能量利用率较高、安全无污染。随着MFCs装置结构的不断优化、内阻的大幅降低，昂贵的电极材料、较低的电极反应效率已成为限制MFCs发展的因素之一。在MFCs阴极，电子被其最终受体得到，发生还原反应得到还原产物。对阴极的电子受体为氧气的MFCs而言，阴极催化剂的研制和阴极传质结构的优化成为MFCs领域研究的热点问题。普遍应用的铂碳(Pt/C)催化剂价格相当昂贵，使得阴极成本非常高，阻止了MFCs的放大化。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有采用铂碳催化剂作为微生物燃料电池阴极催化剂材料存在成本高的问题，而提供一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法。一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料；所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)。一种氮掺杂Fe/Fe3C/C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、溶解：首先将铁源和碳源混合，然后溶解于去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h～3h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至640～800℃,并在温度为640～800℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料；步骤一中所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)；步骤一中所述的碳源的质量与去离子水的体积比为1g:(4mL～5mL)。本专利技术优点：一、本专利技术方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用相对安全的三聚氰胺或氰胺为碳源，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；二、本专利技术方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，利用较低的碳化温度就可以制备出Fe3C，节省了能源；三、本专利技术方法制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，得到可以与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。附图说明图1是X-射线衍射谱图，图中A表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射谱图，图中B表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线衍射谱图，图中*表示Fe3O4，图中#表示Fe，图中&表示Fe3C；图2是线性扫描伏安曲线，图中A表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的线性扫描伏安曲线，图中B表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的线性扫描伏安曲线；图3是试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线光电子能谱图；图4是电压-时间曲线图；图5是试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的X-射线光电子能谱图；图6是电压-时间曲线图；图7是极化曲线-功率密度曲线图，图中□表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时极化曲线，图中■表示试验一制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时功率密度曲线，图中☆表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时极化曲线，图中表示试验二制备的氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料作为微生物燃料电池阴极催化剂运行时功率密度曲线。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料；所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)。MFCs在转化生物能为电能的过程中存在着较大的能量损失，这些损失一方面源自库伦损失，即废水中的有机物没有全部用来发电，而是通过其他方式将能量散失掉了；另一方面源自电极极化和欧姆内阻引起的能量损失。总的来说，面对来自传统废水能源化的技术的挑战，MFCs研究的一个主要任务是“降低成本、提高产电能力、商业化应用”。本专利技术针对的单室空气阴极反应器，希望通过减小电极的制备成本、降低电池的内阻来提高MFCs的功率输出问题而展开研究，设计合成出一种价格低廉、催化活性良好，能够替代贵金属(Pt、Pd、Ru等)在阴极承担催化氧化的责任，同时使反应器能够长期有效稳定的运行，并且得到可以与Pt等贵金属相媲美的产电性能。主要工作是制备出氮掺杂Fe/Fe3C/C复合体材料，将其作为阴极催化剂，通过提高该复合体材料的氧还原(ORR)催化活性作用而提高MFCs的产电性能。在提高性能的同时降低成本，为今后MFCs的规模化生产应用提供理论依据。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的铁源为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、硫酸亚铁和氯化亚铁中的一种或其中几种混合物。其他与具体实施方式一相同。当本实施方式所述的铁源为混合物时，混合物中各组分按任意比混合。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的碳源为三聚氰胺或氰胺。其他与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式是一种氮掺杂Fe/Fe3C/C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、溶解：首先将铁源和碳源混合，然后溶解于去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h～3h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的升温速率从室温升温至640～800℃,并在温度为640～800℃下进行高温碳化还原，高温碳化还原4h，得到黑色粉末产物，即为氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料；步骤一中所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)；步骤一中所述的碳源的质量与去离子水的体积比为1g:(4mL～5mL)。本实施方式步骤二目的完本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料，其特征在于氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料由铁源和碳源制备的复合材料，所述的复合材料是Fe粒子及Fe3C粒子均匀分布在石墨化碳骨架，且粒径在10nm～300nm的Fe/Fe3C/C复合材料；所述的碳源与铁源的质量比为1:(0.1～0.5)。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法，其特征在于氮掺杂Fe/Fe3C/C微生物燃料电池阴极催化剂材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、溶解：首先将0.1g铁源和1g碳源混合，然后溶解于5mL去离子水中，得到混合溶液；二、水浴加热：将混合溶液置于100℃水浴条件下搅拌2h，得到水浴反应产物；三、干燥：水浴反应产物置于烘箱中，在温度为100℃下干燥至恒重，得到固体粉末；四、高温碳化还原：在氮气条件下将固体粉末以3℃/min的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹金龙，镡英子，代莹，李瑞，王涵，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23