一种MOFs复合电催化膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种MOFs复合电催化膜及其制备方法和应用，涉及电催化膜技术领域。其制备方法包括以下步骤：S1：将聚偏氟乙烯按比例溶于有机溶剂中，充分溶解制得聚偏氟乙烯溶液；S2：将制得的聚偏氟乙烯溶液中按比例加入碳粉和金属有机框架材料，充分溶解制得铸膜液，并进行超声脱泡处理；S3：将制得的铸膜液进行制膜，制得MOFs复合电催化膜。本发明专利技术还提供了由上述方法制备的MOFs复合电催化膜，其在生物燃料电池中作为阴极材料的应用。本发明专利技术可以制得具有较高的抗污染性能和对污水中污染物的降解效率的复合电催化膜。其应用作为生物燃料电池的阴极材料可以进一步提高其对污水中污染物的降解效率和抗污染性能。污染物的降解效率和抗污染性能。污染物的降解效率和抗污染性能。

【技术实现步骤摘要】
一种MOFs复合电催化膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化膜
，具体而言，涉及一种MOFs复合电催化膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近十几年来，随着水产、养殖、医药等行业的迅速发展，我国的水体环境污染状况日趋严重；污染水体由最初的生活污水、工业废水衍变为地表水、地下水等在全国范围内的污染。在水污染治理技术中，膜技术由于其高效、环保的特点被广范应用。但膜污染问题是限制膜技术广泛使用的瓶颈之一，膜污染导致膜的使用周期变短，清洗频率增高，大大提升了膜处理废水时的运行成本。
[0003]微生物燃料电池(MFC)是一种新型的水处理技术，一个典型的MFC 是由产电微生物、阳极室、阴极室、质子交换膜、阳极材料、阴极材料等组成，其反应原理是：在阳极，产电菌将有机物氧化为CO2，释放出电子和质子，电子通过外电路连接到达阴极，质子穿过阳离子交换膜到达阴极，随后在阴极发生氧还原反应(ORR)，即氧气作为电子受体被还原生成水分子，形成稳定的电子回路，实现了污水中有机化学能向电能的转化。然而，由于氧的还原是一个不可逆反应，其反应动力学慢，会造成阴极电势 0.3～0.4V的损失；使MFC的广泛应用具有一定的局限性；为了提高MFC 的应用性，现有技术将MFC的阴极材料使用铂系催化剂以提高阴极氧还原的电催化活性，以提高MFC的应用。
[0004]为了提高水处理的效果和效率，现有技术将MFC和膜技术联用，膜过滤可以提升MFC处理污水后的出水水质，提升污水处理的整体效率；MFC 中电子和质子的定向移动会产生微电场，可以减缓细菌代谢产物等向膜表面的附着，缓解膜污染。
[0005]目前，使用铂系催化剂改善MFC阴极材料的提高阴极氧还原的电催化活性的造价较高；而与MFC联用的膜一般为碳膜，其一般用于MFC的阳极材料，且其抗污染性能和对污水中污染物的降解效率还是较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一个目的在于提供一种MOFs复合电催化膜的制备方法，可以制备得到具有较高的抗污染性能和对污水中污染物的降解效率的复合电催化膜。
[0007]本专利技术的第二个目的在于提供一种MOFs复合电催化膜，通过制备方法制得的具有较高的抗污染性能和对有机物的降解效率的复合电催化膜。
[0008]本专利技术的第三个目的在于提供一种MOFs复合电催化膜的应用，其可有效应用于生物燃料电池的阴极材料。
[0009]本专利技术的实施例通过以下技术方案实现：
[0010]一种MOFs复合电催化膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1：将聚偏氟乙烯按比例溶于有机溶剂中，充分溶解制得聚偏氟乙烯溶液；
[0012]S2：将制得的聚偏氟乙烯溶液中按比例加入碳粉和金属有机框架材料，充分溶解
制得铸膜液，并进行超声脱泡处理；
[0013]S3：将制得的铸膜液进行制膜，制得MOFs复合电催化膜。
[0014]金属有机框架(Metal organic framework，MOF)是一种无机
‑
有机杂化多孔材料，具有较稳定的晶体结构和较大的比表面积。MOFs是由金属离子 /簇(如过渡金属和镧系元素)与有机配体之间的配位反应所产生的。
[0015]本专利技术将MOFs加入到碳膜中形成MOFs复合电催化膜，MOFs通过吸附、酸碱中和、疏水性、π
‑
π相互作用、氢键作用力和静电作用具有较高的催化反应活性，从而使MOFs复合电催化膜的抗污染性能和对有机物的降解效率更高。
[0016]进一步地，所述步骤S1中将2～4g的聚偏氟乙烯溶于18～22mL的有机溶剂。
[0017]进一步地，所述步骤S2中向18～22mL的聚偏氟乙烯溶液中加入 0.4～0.8g的碳粉和0.3～0.7g的金属有机框架材料。
[0018]碳纤维的添加量和MOFs的添加量都会影响膜的比表面积、孔隙率及孔径大小，从而影响电催化膜对污水中污染物的降解效率；本专利技术通过控制碳纤维的添加量和MOFs的添加量在此范围内，以制得孔径小而比表面积较大的电催化膜，使其对污水中污染物的降解效率较高。
[0019]进一步地，所述步骤S2中金属有机框架材料为MIL
‑
101(Fe)或Fe
‑
MOF 晶体。
[0020]在MOFs中，MOFs的孔径和形状是由金属离子和有机配体的种类和性质所决定的。本专利技术采用MIL
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101(Fe)和Fe
‑
MOF晶体，其不仅孔径小，具有较高的催化活性，且合成路线简单，成本较低。
[0021]进一步地，所述MIL
‑
101(Fe)的制备方法为：a.按铁和镍的摩尔比为 1～9:1称取金属盐FeCl
·
6HO和NiCl
·
6HO，按与总金属盐的摩尔比为1:1～3 取有机配体对苯二甲酸，分别加至N,N二甲基甲酰胺溶剂中，于60～150℃搅拌反应6～48h后冷却至室温；b.将冷却后的反应液抽滤得固体粉末，使用 N,N二甲基甲酰胺溶剂洗涤，然后将固体粉末于甲醇溶剂中加热回流，冷却抽滤；c.将抽滤后得到的固体粉末在500～800℃下焙烧，再经5％的稀盐酸溶液酸洗，即制得MIL
‑
101(Fe)金属有机框架材料。
[0022]一般生产方法生产的MIL
‑
101(Fe)在测试其催化活性时，由于其分子间连接方式为离子键而在水溶液中会产生部分水解，因此，本专利技术采用高温焙烧的处理方式改变MIL
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101(Fe)的分子间作用力，使其结构更稳定；并在高温焙烧之后再加入5％的稀盐酸溶液酸洗，以除去杂质，使其结构更稳定，从而不易产生水解。
[0023]一种根据上述制备方法制得的MOFs复合电催化膜，厚度为180～500 μm。
[0024]膜的厚度也会影响膜的比表面积、孔隙率以及孔径大小，从而影响电催化膜的降解效率；本专利技术通过控制MOFs复合电催化膜的厚度在此范围内，以制得孔径小而比表面积较大的电催化膜，使其对污水中污染物的降解效率较高。
[0025]上述制备的MOFs复合电催化膜在生物燃料电池中作为阴极材料的应用。
[0026]本专利技术将MOFs复合电催化膜应用于生物燃料电池的阴极材料，可以有效提高阴极氧还原的电催化活性；本专利技术将MOFs复合电催化膜与MFC 耦合使用处理污水，MOFs复合电催化膜作为MFC的阴极材料兼具导电和过滤作用，MFC的阳极厌氧细菌可将污水中氧化有机物时产生的电子释放出来，流经外接电路传递到阴极，在阴极与电子受体O2结合产生水，形成持续的电子回路，从而将污水中有机物的化学能转化为电能；污水中污染物在经MFC分解
后，再经过电催化膜过滤，实现高效的污染物处理效率；并且，在此过程中MFC中电子和质子的定向移动会产生微电场，可以有效地减缓细菌代谢产物等向电催化膜表面的附着，缓解电催化膜的污染；本专利技术将MOFs复合电催化膜作为MFC的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MOFs复合电催化膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将聚偏氟乙烯按比例溶于有机溶剂中，充分溶解制得聚偏氟乙烯溶液；S2：将制得的聚偏氟乙烯溶液中按比例加入碳粉和金属有机框架材料，充分溶解制得铸膜液，并进行超声脱泡处理；S3：将制得的铸膜液进行制膜，制得MOFs复合电催化膜。2.根据权利要求1所述的MOFs复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中有机溶剂为N,N二甲基甲酰胺。3.根据权利要求1所述的MOFs复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中将2～4g的聚偏氟乙烯溶于18～22mL的有机溶剂。4.根据权利要求1所述的MOFs复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中向18～22mL的聚偏氟乙烯溶液中加入0.4～0.8g的碳粉和0.3～0.7g的金属有机框架材料。5.根据权利要求1所述的MOFs复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中金属有机框架材料为MIL
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101(Fe)或Fe
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MOF晶体。6.根据权利要求5所述的MOFs复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李益华，韩加祥，宋奇，
申请(专利权)人：西南民族大学，
类型：发明
国别省市：