[发明专利]一种羧基化碳纳米管催化剂载体及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物能源材料领域，具体涉及一种羧基化碳纳米管催化剂载体及其制备方法和应用。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）是利用微生物作为生物催化剂降解有机物产生电能的电化学装置。MFCs独特的产电方式使其成为解决能源危机同时处理废水的一种新思路。但是，关于MFCs的研究还处于实验室的研究阶段，要想应用于实际工程则仍然面临着许多挑战，其中，产电能力低是限制该技术商业化的主要障碍之一。

导致MFCs产电能力低的因素有很多，其中，阴极低效缓慢的氧气还原热力学和动力学过程是很重要的一个影响因子。贵金属Pt虽然可以提高MFC阴极的氧还原反应速率，但是Pt金属不仅成本高，而且容易引起催化剂中毒现象。如何解决Pt粒子在载体上的有效分散成为一个急需解决的问题。

目前，碳纳米管（CNT）作为一种新型的一维纳米材料，因其大的比表面积，快速电子传递能力以及优良的化学稳定性和机械强度而成为非常理想的阴极催化剂载体材料，而且由于CNT自身不含不稳定键的六角形环的无缝组合，并且CNT具有巨大的分子量，它们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，这就给进一步的应用带来了一定的困难。

发明内容

本发明目的之一是提供一种羧基化碳纳米管催化剂载体。

本发明目的之二是提供上述催化剂载体的制备方法。

本发明的目的之三是提供上述催化剂载体的应用。

本发明方法改善了CNT的惰性和疏水性，处理过的CNT羧基化程度高，表面含氧基团丰富，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。

本发明是通过以下技术步骤实现的：

一种羧基化碳纳米管催化剂载体的制备方法，步骤如下：

将碳纳米管置于体积比为1:3～3:2的浓HNO₃和浓H₂SO₄混合液中，80℃～95℃恒温回流处理100～120min，洗涤干燥，即制得羧基化碳纳米管催化剂载体。

优选地，每克碳纳米管加入50～60mL浓HNO₃和浓H₂SO₄的混合液中。优选地，所述洗涤干燥是用去离子水洗涤至接近中性后，干燥。

用上述方法制备的羧基化碳纳米管催化剂载体制备Pt/CNT催化剂。

优选地，所述Pt/CNT催化剂的制备方法为：将羧基化碳纳米管催化剂载体置于氯铂酸的乙醇溶液中混匀，制成炭浆，用0.2mol/L的NaOH溶液调节pH值至7.5后加入过量的0.1mol/L的HCHO溶液，在80℃恒温条件下还原2h，洗涤至抽滤的滤液用AgNO₃溶液检验无Cl-后，在80℃真空干燥12h。

优选地，所述氯铂酸的乙醇溶液是将H₂PtCl₆·6H₂O溶于乙醇中制备的浓度为0.0193mol/L的溶液。

优选地，利用Pt/CNT催化剂制备微生物燃料电池的空气阴极。

优选地，所述空气阴极的制备方法为：先将基体材料钛丝网依次用0.5mol/L的H₂SO₄浸洗以除去表面氧化物，用丙酮超声处理以除去表面油污，用去离子水超声清洗；然后在其中一面涂PTFE层作为扩散层；最后在另一面涂上Pt/CNT催化剂。

优选地，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钛丝网的一面（涂布薄薄的一层）；赶掉气泡、保证钛丝网表面涂布均匀；风干5-10min后将钛丝网置于事先预热到370℃的马弗炉热处理10-15min；然后取出钛丝网冷却至室温；重复三次，总共涂布、热处理4层PTFE涂层。

优选地，利用所述空气阴极运行微生物燃料电池的过程为：取池塘底泥预培养液后作为接种物；将接种物和1g·L^-1的葡萄糖营养液按照1:1的体积比混合后接种于微生物燃料电池，在温度为30℃的条件下运行；