WN-rGO纳米粒子的合成方法及其构建的微生物燃料电池技术

WN‑rGO纳米粒子的和合成方法及其构建的微生物燃料电池，属于微生物燃料电池技术领域。本发明专利技术要解决目前微生物燃料电池阳极功率低、周期短等问题。WN‑rGO纳米粒子制备方法：一、取相同体积的酒石酸溶液和钨酸钠溶液混合后充分搅拌，调节溶液PH至0.8～1.1，转移到反应釜中进行水热反应，反应温度为110～130℃，反应时间为22～24小时，用蒸馏水离心清洗3～5次，再用乙醇离心清洗一次，真空干燥；二、将所得样品在氨气气氛下进行热处理，热处理温度500～600℃，保温5～7小时，自然降温得到黑色固体。三、取等质量所得材料及还原石墨烯加入异丙醇和Nafion溶液，超声处理至完全分散均匀，四、而后涂在经预处理的碳布的两面，自然干燥。本发明专利技术MFCs的最高电压为0.598V，最大功率密度为2976mW/m

【技术实现步骤摘要】
WN-rGO纳米粒子的合成方法及其构建的微生物燃料电池
本专利技术属于微生物燃料电池
；具体涉及用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法及其构建的MFCs。
技术介绍
微生物燃料电池(MicrobialFuelCell，MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。微生物燃料电池(MFC)作为利用生物质能的设备，它以细菌为生物催化剂，进行产电，最初在1910年由英国的植物学家Potter首先发现微生物具有产电的功能，并在此基础上提出了MFC的概念，他以大肠杆菌和酵母菌为催化剂，铂为电极成功的获得了电能，到了20世纪80年代末，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了很大的提高，到了2002年随着直接将电子传递给电子受体的菌种的发现，人们专利技术了无需使用电子传递中间_体的微生物燃料电池，所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。根据微生物燃料电池的工作原理我们可以知道其阳极材料应具有大的比表面积，优良的生物相容性，优异的电化学性能。氮化钨是一种新型的催化材料，其表面性质和催化性能类似于贵金属，应用氮化钨催化剂可以避免因工业催化剂而带来的硫污染，因此它作为催化剂对环境是十分友好的。此外，氮化钨的几个独特的物理及化学性质，如导电率高，耐腐蚀，稳定性好等，使其成为光催化及电催化领域的理想材料。
技术实现思路
本专利技术要解决目前微生物燃料电池阳极电势高，功率低，周期短等问题，而提供了用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法及其构建的MFCs。为解决上述问题，本专利技术的用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、取等体积的酒石酸溶液和钨酸钠溶液，将溶液混合，调节溶液pH，搅拌1h后，将混合溶液转移至反应釜中进行水热反应，反应温度为110～130℃，反应时间为22～24小时，反应结束获得草绿色溶液，离心后用水离心清洗3-5次，再乙醇离心清洗1次，真空干燥，得到WO3纳米粒子。步骤二、将步骤一获得的WO3纳米粒子在氨气气氛下进行热处理，以4℃/min～8℃/min的升温速率从室温升温到500～600℃，保温5～7小时，自然降温至室温后，得到黑色固体WN纳米粒子。步骤三、向步骤二获得的WN中加入异丙醇、Nafion溶液及rGO，超声至完全溶解。步骤四、而后涂布于经预处理的碳布的两面，自然干燥；得到WN-rGO纳米粒子；进一步地限定，步骤一中所述酒石酸溶液的浓度为0.4mol/L～0.6mol/L，钨酸钠溶液的浓度为0.4mol/L～0.6mol/L，使用盐酸调节溶液pH为0.8-1.1。进一步地限定，步骤一中磁力搅拌的速度控制在300r/min～800r/min；离心速率均为9000r/min～11000r/min；真空干燥的工艺条件：温度为40℃～60℃，真空度为-25kpa～-30kpa，时间为9h～12h。进一步地限定，步骤三WN-rGO纳米粒子的质量与异丙醇的体积比为2～2.5mg∶20～50μL。进一步地限定，步骤三WN-rGO纳米粒子的质量与Nafion溶液的体积比为2～2.5mg∶16～25μL。进一步地限定，步骤四中所述碳布的预处理方法如下：碳布置于容器中，加入稀盐酸，浸泡后倒掉稀盐酸，再用蒸馏水冲洗，倒掉蒸馏水，而后加入丙酮，浸泡后倒掉丙酮，用封口膜封好，在封口膜上扎多个孔，真空干燥，用封口膜封好，备用。上述方法制得的WN-rGO纳米粒子构建的MFCs为H-型双室MEC，中间由前处理后的Nafion膜隔开，采用上述制备方法制得的阳极电极作阳极室的阳极材料，采用前处理后的碳刷作阴极室的阴极材料，将由PBS、乙酸钠、微量生素溶液和矿物质溶液配置的阳极液通入阳极室，将由氯化钾和铁氰化钾配置的阴极液通入阴极室，通过外加电阻将阴极和阳极连接在一起；完成构建得到微生物电解电池；其中，所述碳刷前处理的步骤如下：将碳刷的碳布纤维侧用丙酮浸泡30min，取出后放入管式炉中，在200℃～400℃下烧结20min～35min，自然降温至室温，完成碳刷的前处理；进一步地限定，所述Nafion膜前处理是通过下述步骤完成的：将Nafion膜浸泡于3％H2O2(质量百分浓度为3％的双氧水溶液)中，置于烘箱中，在70℃～85℃下处理20min～35min(去除有机杂质)，倒掉3％H2O2，再加入蒸馏水，置于烘箱中，在70℃～85℃下处理20min～35min，倒掉蒸馏水，而后加入浓度为0.5moL/L的H2SO4，放入烘箱中，在70℃～85℃处理20min～35min，倒掉H2SO4，加入蒸馏水，置于烘箱中，在70℃～85℃下处理20min～35min。进一步地限定，所述阳极液的配置方法如下：向50mg～85mg无水乙酸钠中，加入35mL～70mLPBS溶液，再加入100μL～500μL矿物质溶液和500μL500μL～650μL微量元素溶液，充分溶解。进一步地限定，所述矿物质元素溶液是按下述步骤配置：将1.0g～2.0g氨三乙酸、80mg～100mg硫酸锌、2mg～5mg硫酸镁、5mg～15mg硫酸铜、200mg～700mg硫酸钼5mg～15mg硫酸铝钾、80mg～150mg氯化钠、10mg～30mg硼酸、60mg～100mg硫酸亚铁、100mg～150mg氯化钴、100mg～120mg氯化钙和5mg～25mg钼酸钠混合，加入适量蒸馏水，充分溶解，用饱和氢氧化钠溶液调节pH到6～8，再加入蒸馏水定容至1L，混匀后密封，灭菌处理。进一步地限定，所述微量元素溶液是按下述步骤配置：将0.5mg～1mgβ-甘油、0.5mg～1mg叶酸、1mg～3mg盐酸吡哆醇(辛)、1mg～5mg盐酸硫胺素、1mg～5mg核黄素、1mg～5mg尼克酸、1mg～5mgD-泛酸钙、0.02mg～0.03mg维生素B12、1mg～5mg对氨基苯甲酸和1mg～5mg硫酸混合，加入适量的蒸馏水，充分溶解，再加入蒸馏水定容至0.25L，混匀后密封，灭菌处理。进一步地限定，所述阴极液的配置方法如下：将200mg～300mg氯化钾和800mg～1000mg铁氰化钾混合后，加入50ml～60ml蒸馏水，充分溶解。本专利技术中以WN-rGO纳米粒子作为阳极电极材料，是由碳布电极及涂覆的rGO修饰的WN复合材料构成，加强了电极材料的石墨化程度从而降低电子转移阻力，促进细菌与电极之间的联系，从而提高MFC产电率。本专利技术利用了WN纳米粒子优秀的电催化性能以及其良好的生物相容性，有利于微生物在电极表面的大量富集，从而提高MFC产电率。以本专利技术阳极电极构成的双室型微生物燃料电池的最高电压为0.60V，单个循环周期达到5天，持续140天本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法，其特征在于所述制备方法是按下述步骤进行的：/n步骤一、取等体积的酒石酸溶液和钨酸钠溶液，将溶液混合，调节溶液pH至0.8-1.1，搅拌1h后，将混合溶液转移至反应釜中进行水热反应，反应温度为110～130℃，反应时间为22～24小时，反应结束获得草绿色溶液，离心后用水离心清洗3-5次，再乙醇离心清洗1次，真空干燥，得到WO

【技术特征摘要】
1.用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法，其特征在于所述制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、取等体积的酒石酸溶液和钨酸钠溶液，将溶液混合，调节溶液pH至0.8-1.1，搅拌1h后，将混合溶液转移至反应釜中进行水热反应，反应温度为110～130℃，反应时间为22～24小时，反应结束获得草绿色溶液，离心后用水离心清洗3-5次，再乙醇离心清洗1次，真空干燥，得到WO3纳米粒子。
步骤二、将步骤一获得的WO3纳米粒子在氨气气氛下进行热处理，以4℃/min～8℃/min的升温速率从室温升温到500～600℃，保温5～7小时，自然降温至室温后，得到黑色固体WN纳米粒子。
步骤三、向步骤二获得的WN中加入异丙醇、Nafion溶液及rGO，超声至完全分散均匀。
步骤四、而后涂布于经预处理的碳布的两面，自然干燥；得到WN-rGO纳米粒子。


2.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法，其特征在于步骤一中所述酒石酸溶液的浓度为0.4mol/L～0.6mol/L，钨酸钠溶液的浓度为0.4mol/L～0.6mol/L，使用盐酸调节溶液pH为0.8～1.1。


3.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法，其特征在于步骤一中磁力搅拌的速度控制在300r/min～800r/min；离心速率均为9000r/min～11000r/min；真空干燥的工艺条件：温度为40℃～60℃，真空度为-25kpa～-30kpa，时间为9h～12h。


4.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法，其特征在于步骤三WN-rGO复合物的质量与异丙醇的体积比为(2～2.5)mg∶(20～50)μL；步骤三WN-rGO复合物的质量与Nafion溶液的体积比为(2～2.5)mg∶(16～25)μL。


5.根据权利要求1所述的用于微生物燃料电池的WN-rGO纳米粒子的制备方法，其特征在于步骤四中所述碳布的预处理方法如下：碳布置于容器中，加入稀盐酸，浸泡后倒掉稀盐酸，再用蒸馏水冲洗，倒掉蒸馏水，而后加入丙酮，浸泡后倒掉丙酮，用封口膜封好，在封口膜上扎多个孔，真空干燥，用封口膜封好，备用。


6.如权利要求1-5任意一项所述制备方法制得的WN-rGO纳米粒子构建的MFCs，其特征在于所构建的微生物燃料电池为H-型双室MEC，中间由前处理后的Nafion膜隔开，采用权利要求1-5任意一项所述制备方法制得的阳极电极作阳极室的阳极材料，采用前处理后的碳刷作阴极室的阴极材料，将由...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵超越，刘丹青，赵晓洁，洪露，冯世雄，由新宇，宋姗姗，王雪刚，郭英，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23