本发明专利技术公开了一种改性碳纳米管掺杂氧化钴锰催化剂及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将碳纳米管置于PDDA水溶液中超声分散，获得均一溶液；(2)先将上述溶液分散于去离子水中，加入二甲基甲酰胺溶液并超声分散；再将Co2+与Mn2+按摩尔比1：2～2.5溶入混合液中，缓慢搅拌，得到黑色沉淀；(3)用去离子水洗涤黑色沉淀，并将该沉淀物置入聚四氟乙烯高压反应釜，于160～180℃下加热8-10h，最后将黑色沉淀物干燥即制得改性碳纳米管掺杂氧化钴锰催化剂。该催化剂能成功的启动MFC，缩短了MFC的启动期，其性能优于对照组Pt/C，并且随着CoMn2O4载量的减少，MFC性能也逐渐得到改善。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物能源材料领域，具体设及改性碳纳米管渗杂氧化钻儘催化剂的制 备方法和应用。
技术介绍
随着经济的发展，人类过度的开采资源，能源匿乏问题逐渐暴露。微生物燃料电池 (Microbial化el cells,MFCs)是利用微生物作为生物催化剂降解底质(有机物），综合了 环境生物化学、电化学等技术，实现了生物质化学能向电能的转移。但是，关于MFCs的研究 还处于实验室的研究阶段，如果想将此技术应用于实际工程则仍然面临着许多挑战。阴极 材料的性能是限制微生物燃料电池产电效率的关键因素之一，今后对于微生物燃料电池性 能的优化更多的在阴极方面进行探究。 影响MFCs产电能力低的因素有很多，其中，阴极低效的氧还原性能(氧还原热力学 和动力学过程)限制了 MFC性能。贵金属Pt作为一种贵金属被广泛报道，该贵金属作为微生 物燃料电池阴极催化材料可大幅度提高MFC阴极的氧还原反应速率，降低MFC系统内阻大 小，促使整个微生物燃料电池系统的产电性能（电压输出、功率密度)提高。但是，Pt金属不 仅成本高，而且容易引起催化剂中毒现象。寻求一种高效的非贵金属材料取代Pt催化剂已 经成为微生物燃料电池的一个热点方向。 碳纳米管(Carbon化no化bes，CNTs)，该材料具有机械性能高、化学稳定性强和导 电性高，且具备高的比表面积等特点，可作为微生物乃至金属催化剂的理想载体。但是，CNT 之间的强的范德华力相互作用导致了 CNT具有很强的惰性，使其不溶于水及常用的有机溶 剂，而且碳管容易相互缠绕团聚，运就给进一步的应用带来了一定的困难。由于碳纳米管或 者碳材料具备典型的化学惰性，将会限制材料的氧还原能力。为了提高CNT的催化性能，学 者集中关注于渗杂碳材料、金属渗杂碳材料等的研究。研究发现碳纳米管材料作为催化剂 时，由于其催化活性较差，多将其作为催化剂的载体。若通过一定的手段进行碳材料惰性能 力的改善则可W增强阴极材料的氧还原性能。 过渡金属因其具有多种价态，在一定条件下可W实现价态之间的转移，所W过渡 金属往往具备潜在的ORR催化性能。有报道指出CoMri2〇4因其潜在的OR財生能而被用于超级电 容器中，然而由于CoMns化的活性位点低、内阻大W及比表面积小会限制其催化活性。
技术实现思路
为了改善CoMns化的催化活性，本专利技术目的之一是提供一种改性碳纳米管渗杂氧化 钻儘催化剂制备方法，通过碳纳米管渗杂CoMns化来强化催化剂材料的OR財生能。 本专利技术的目的之二是提供上述催化剂的应用。[000引本专利技术的目的是通过W下技术步骤实现的： -种改性碳纳米管渗杂氧化钻儘催化剂的制备方法，包括如下步骤： (1)将碳纳米管(CNT)置于P孤A水溶液中超声分散，获得均一的P孤A-CNT溶液；[00川 （2)先将P孤A-CNT溶液分散于去离子水中，加入二甲基甲酯胺溶液并超声分散;再 将Co2 +与Mn2+按摩尔比1: 2~2.5溶入混合液中，缓慢揽拌0.5-1.0小时，得到黑色沉淀 CoMn204 ； (3)用去离子水洗涂黑色沉淀，并将该沉淀物置入聚四氣乙締高压反应蓋，于160 ~180°C下加热8-lOh，最后将黑色沉淀物干燥即制得改性碳纳米管渗杂氧化钻儘催化剂。 [001引所述C0Mn204与碳纳米管的质量比为(0.3~0.5): 1。所述(：〇2+和胞2+分别由(：〇(04。）2*6出0和]\111(04〇)2*6出0提供。[001引步骤（1)所述PDDA7JC溶液的质量分数为1%，所述分散时间为0.5~化;步骤(2)所 述超声分散时间为0.5~化。 步骤（1)所述碳纳米管与PDDA水溶液的固液比为1:10~1:15(g/mL)，所述PDDA水 溶液的质量浓度为0.5~3.0%。 步骤(3)所述干燥溫度为70-80°C，干燥时间为2地。 上述方法制备的改性碳纳米管渗杂氧化钻儘催化剂在MFC中的应用。具体是将改 性碳纳米管渗杂氧化钻儘催化剂制备MFC空气阴极材料后，组装单室无膜空气阴极MFC并运 行。 所述MFC空气阴极材料的制备:先在基体材料的一面涂上碳基层，然后在另外一面 涂上4层PTFE层作为扩散层，最后，在已经涂好的碳基层上涂氧化儀碳纳米管催化剂。 所述MFC的运行是取1:1体积比沼气池底泥上清液和沼渣作为接种物，并将接种物 和Ig ? [1的葡萄糖营养液按照1:1的体积比混合后接种于MFC。 所述碳基层的具体制备过程： 1.准备好10*10cm的碳布若干； 2.按照1.56mg/cm2剂量，依据电极面积10* 1 Ocm = 1 OOcm2称取碳粉156mg (按照电极 单面几何面积cm2计算）； 3.按照12化/mg碳粉的剂量，用移液器量取40 % PTFE乳液12* 156 = 1872化= 1.872mL(买回来的PTFE乳液是用表面活性剂分散成水溶液，60%需要用去离子水或纯水稀 释）； 4.将称取的碳粉置于带盖塑料管中，加6-8个3mm玻璃珠和量取的40%PTFE乳液， 盖上盖子，揽拌混匀； 5.将所有CNTs-PT阳悬浊液用小刷子均匀涂布在碳布表面。涂布时应小屯、操作，W 免悬浊液弄到碳布的另外一面； 6.涂布完成后置于硬纸板上风干至少化。也可用吹风机W加快干燥过程； 7.将马弗炉预热到370°C，然后将一块耐高溫瓷托盘放到马弗炉中，再将风干后的 碳布放到瓷托盘上，关闭马弗炉口，热处理持续20-30min(注意:使用厚棉手套W免烫伤）； 8.打开马弗炉口，拿出瓷托盘和碳布冷却至室溫(注意:使用厚棉手套W免烫伤）。 冷却后的碳布会发生卷曲。 所述扩散层的具体制备过程为:摇动60%PTFE乳液管使悬浊液尽可能分散均匀， 用刷子将其均匀涂在碳布的一面(切勿涂得太厚）；赶掉气泡、保证碳布表面涂布均匀;风干 5-lOmin后，将碳布置于事先预热到370°C的马弗炉热处理10-15min;然后取出碳布冷却至 室溫;重复S次，总共涂布、热处理4层PTFE涂层。 启动微生物燃料电池中阳极的制备过程：用丙酬浸泡碳拉约化，然后用去离子水 清洗3~5次，再用去离子水浸泡、煮沸碳拉化(每隔0.化换水1次），最后120°C烘干;其次，进 行酸处理，将预处理后的碳拉阳极放入若干烧杯中，用浓HN化浸泡化，再用去离子水洗涂至 中性后，于120°C烘干备用。 本专利技术方法改善了 CNT的惰性和疏水性，聚二締基丙二甲基氯化锭 (PDDA)是一种强阳离子聚电解质，用PDDA处理过的CNT，使得CNT和PDDA之间Wjt-JT 和静电的形式相互作用，防止CNT形成团聚，改善CNT在水中的分散情况。运种改性CNT方法 与用强酸改性的方法相比能减少对碳纳米管的内部结构的损害，保持碳纳米管传递电子及 机械结构的完整。为贵金属催化剂的负载提供了更多的吸附、配位及置换官能团；同时也能 够提供更多的化学活性位点。 本专利技术与现有技术相比具有如下优点和有益效果： (1)本专利技术的P孤A改性处理CNT，均可W增加 CNT在水中的溶解性及分散性。为下一 步金属氧化物的负载提供更多的吸附、配位W及置换基团，同时也提供了更多的化学活性 位点。 (2)PDDA-CNTs材料中的碳峰比纯CNT碳峰的峰强度更弱，运表明由于PDDA的引入 减弱了碳峰的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种改性碳纳米管掺杂氧化钴锰催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将碳纳米管置于PDDA水溶液中超声分散，获得均一的PDDA‑CNT溶液；(2)先将PDDA‑CNT溶液分散于去离子水中，加入二甲基甲酰胺溶液并超声分散；再将Co2+与Mn2+按摩尔比1：2～2.5溶入混合液中，缓慢搅拌，得到黑色沉淀CoMn2O4；(3)用去离子水洗涤黑色沉淀，并将该沉淀物置入聚四氟乙烯高压反应釜，于160～180℃下加热8‑10h，最后将黑色沉淀物干燥即制得改性碳纳米管掺杂氧化钴锰催化剂。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱能武，黄健键，杨婷婷，吴平霄，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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