【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物基碳材料领域，具体涉及一种微生物基碳材料、微生物基单原子铁催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
1、在过去的几十年里，随着人类数量的增加和科技的高速发展，化石燃料的利用使得人们的生活水平有了极大的提高。但化石燃料大多是不可再生的，并且，在使用化石燃料过程中产生的排放物会对环境造成污染。随着近年来工业产业的快速发展，使用对环境清洁无污染且高效的能源装置越来越有必要。燃料电池因其对环境清洁无污染，不受卡诺循环的限制，能量密度高，无噪音等优点而被广泛使用，它是具有巨大发展潜力和应用前景的能量转换装置。然而，现有技术中的燃料电池也有不足之处。在阴极，由于电解质中的阴离子对氧还原反应(orr)活性的中毒效应，使催化剂通过吸附行为形成不具有催化活性的化合物，导致燃料电池的orr速率会变得缓慢。这种吸附行为对催化剂表面结构的变化很敏感，可通过可逆或部分可逆方式变化，而这种吸附变化会导致催化剂表面的活性位点堵塞。而且，与阳极上高速率的氢氧化(hor)反应相比，阴极更需要加入高水平氧还原催化剂来提高反应速率。但即使使用当前效果最好的pt催化剂，orr反应动力学也比阳极hor低大约5个数量级。不仅如此，pt基催化剂还由于其高成本，且催化过程中稳定性差容易发生催化剂中毒等问题，进一步限制了燃料电池的应用。
2、为了解决这些问题，开发低成本、储量丰富、高催化活性和稳定性的非贵金属催化剂迫在眉睫。过渡金属与氮共掺杂碳质(m-n-c)催化剂的研究是近些年在氧还原催化领域最重要的研究方向之一，具有能够替代贵金属催化剂的潜力。其中
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种微生物基生物炭的制备方法。
2、本专利技术的第二个目的在于提供一种微生物基单原子铁催化剂的制备方法。
3、本专利技术的第三个目的在于提供所述微生物基生物炭及微生物基单原子铁催化剂。
4、本专利技术的最后一个目的在于提供所述微生物基生物炭及微生物基单原子铁催化剂的应用。
5、本专利技术的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
6、本专利技术首先提供一种微生物基生物炭的制备方法，先将微生物进行形貌调控以防止菌体团聚板结，再冷冻、干燥，得到微生物粉末，然后将微生物粉末碳化，即得所述微生物基生物炭。
7、本专利技术创造性地选用微生物作为生物炭的前体，微生物相比于植物而言，富含更多的杂原子如n、o、p等，用于碳化可获得大量c-n结构，该结构具有较高的催化活性，且丰富的n原子可有效增加催化剂的氧还原催化能力。进一步地，为了增加生物炭载体的比表面积和导电性，本专利技术首先通过对微生物前体进行形貌调控，以防止菌体团聚板结，从而可以保证其在后续高温碳化后不会团聚在一块，可以形成多空隙疏松结构的生物炭，在具有良好的导电性之余，还能使过渡金属fe能更加均匀地分布在生物炭表面，进一步形成fe-c-n结构，从而进一步提高制得的微生物基单原子铁催化剂的催化活性。
8、进一步地，所述微生物为含氮量高的微生物。
9、进一步地，所述微生物为自身fe-n结构含量高的微生物，其细胞膜表面含有大量的细胞色素c，携带铁卟啉基团，自身即含有一定的fe-n结构。fe-c-n结构具有高的催化活性，可有效增加催化剂的氧还原催化能力。
10、优选地，所述微生物为希瓦氏菌属(shewanella)细菌。
11、更优选地，所述微生物为奥奈达希瓦氏菌(shewanella oneidensis)mr-1。
12、本专利技术以奥奈达希瓦氏菌(shewanella oneidensis)mr-1为例，以希瓦氏菌mr-1的菌体为生物炭合成的前体，通过对其进行形貌调控以提高微生物材料的比表面积与导电性，进而将其碳化，从而制备得到了一种表面多孔、富含n杂原子、导电性好的微生物基生物炭。所述奥奈达希瓦氏菌mr-1表面富含氮原子，且其自身含有一定的亚铁血红素，同时包含一定的铁原子。
13、进一步地，所述改性剂为氯化钠。
14、进一步地，所述形貌调控将微生物菌体培养液离心并洗涤，将得到的菌体细胞与饱和氯化钠溶液混合处理。
15、进一步地，所述微生物菌体培养液与饱和氯化钠溶液的体积比为24～26：1。
16、进一步地，所述冷冻、干燥为-38℃～-42℃冰冻0.8～1.2小时，冷冻干燥1～3天。
17、优选地，所述冷冻、干燥为-40℃冰冻1小时，冷冻干燥2天。
18、在形貌调控中，在过低的温度下碳化会使改性剂不能与微生物完全交融，造成微生物团聚，而过高的温度则可能会使得微生物中的杂原子在碳化过程中挥发，造成氧还原催化活性降低。
19、因此进一步地，所述碳化温度为810～1000℃。
20、优选地，所述碳化温度为900℃。
21、进一步地，所述碳化操作为：以10℃/min的升温速率升至900℃，加热3小时。
22、一种微生物基生物炭，是由上述制备方法制备得到的。
23、本专利技术进一步地通过化学法在上述微生物基生物炭表面负载了铁原子，得到了单原子(簇)形式的微生物基单原子铁催化剂。催化剂在碳化过程中，fe物种不会发生团聚形成铁氧化物，而是以铁单原子的形式和n、o等原子均匀分散在微生物碳表面，并且在铁的周围分布着丰富的氮，构成了fe-c-n活性中心；经过电化学测试表征后发现，在碱性条件下，本专利技术制备得到的微生物基单原子铁催化剂，其orr催化剂性能优于商业常用的铂碳催化剂，具有高氧还原催化活性、耐甲醇性和稳定性。
24、因此，本专利技术还提供一种微生物基单原子铁催化剂的制备方法，将上述微生物基生物炭与铁盐加入超纯水中混匀，先加入苯胺，搅拌后再加入过硫酸铵，得到混合溶液；调整混合溶液的ph至酸性后，取沉淀物碳化，即得所述微生物基单原子铁催化剂。
25、进一步地，所述微生物基生物炭、苯胺、过硫酸铵的用量比为(24～26)：(0.08～0.12)：(0.8～1.2)。
26、进一步地，所述铁盐为fecl3。
27、进一步地，所述微生物基生物炭、fecl3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种微生物基生物炭的制备方法，其特征在于，先将微生物进行形貌调控以防止菌体团聚板结，再冷冻、干燥，得到微生物粉末，然后将微生物粉末碳化，即得所述微生物基生物炭。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述微生物为含氮量高的微生物；优选地，所述微生物为希瓦氏菌属(Shewanella)细菌；优选地，所述微生物为奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)MR-1。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述形貌调控采用的改性剂为氯化钠。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述碳化温度为810～1000℃；优选地，所述碳化温度为900℃。
5.一种微生物基生物炭，其特征在于，是由权利要求1～4任一制备方法制备得到的。
6.一种微生物基单原子铁催化剂的制备方法，其特征在于，将权利要求5所述微生物基生物炭与铁盐加入超纯水中混匀后，先加入苯胺，混匀后再加入过硫酸铵，得到混合溶液；调整混合溶液的pH至酸性后，取沉淀物碳化，即得所述微生物基单原子铁催化剂。
7.根据权利要求6所述制
8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述碳化温度为800～1000℃；优选地，所述碳化温度为900℃。
9.一种微生物基单原子铁催化剂，其特征在于，是由权利要求6～8任一制备方法制备得到的。
10.权利要求5所述微生物基生物炭或/和权利要求9所述微生物基单原子铁催化剂在催化氧还原反应中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种微生物基生物炭的制备方法，其特征在于，先将微生物进行形貌调控以防止菌体团聚板结，再冷冻、干燥，得到微生物粉末，然后将微生物粉末碳化，即得所述微生物基生物炭。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述微生物为含氮量高的微生物；优选地，所述微生物为希瓦氏菌属(shewanella)细菌；优选地，所述微生物为奥奈达希瓦氏菌(shewanella oneidensis)mr-1。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述形貌调控采用的改性剂为氯化钠。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述碳化温度为810～1000℃；优选地，所述碳化温度为900℃。
5.一种微生物基生物炭，其特征在于，是由权利要求1～4任...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴云当，尹浩均，李芳柏，方利平，
申请(专利权)人：广东省科学院生态环境与土壤研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。