[发明专利]一种用于微生物燃料电池的氮磷共掺杂碳氧气还原催化剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

      本发明属于新能源开发和新材料应用领域，具体涉及一种用于微生物燃料电池的氮磷共掺杂碳氧气还原催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

      能源是人类可持续发展的重要基础。随着现代社会的发展，能源危机日益加剧，开发新能源已成为科学界研究重点之一。微生物燃料电池（MFC）作为一种开发新能源的新技术，近年来备受关注。其基本工作原理是，阳极室内的微生物催化氧化有机物并释放出电子和质子，电子通过外接电路到达阴极，在阴极和电子受体结合发生还原反应。尽管MFC在生物质能利用和污水处理等方面具有广阔的应用前景，但是它在实现实际应用的过程中，还存在很多问题需要克服，其中最关键的问题在于阴极的氧气还原催化剂。Pt被认为是性能最高效的一种催化剂，但是其昂贵的价格使得MFC的规模化难以实现。因此，寻找可替代贵金属Pt的催化剂进而降低成本，成为MFC研究的热点。

近年来有研究发现，杂原子掺杂（N、P、S、B）的碳材料在碱性介质中表现出优异的氧气还原催化活性，因此，有望将其应用到中性条件下的MFC中。中国专利（CN102117918A）公开了氮掺杂碳纳米管粉末作为MFC的氧气还原催化剂，电池的输出功率高,且运行稳定性好；Chen等(文献Biosensors and Bioelectronics,2012,34,282-285）制备了无粘结剂的、以氮掺杂碳纳米纤维为催化剂的阴极，获得了和含Pt空气阴极MFC相当的功率密度。以上研究表明，氮掺杂碳在MFC中具有良好的催化性能。但是，以上氮掺杂碳材料的制备是采用化学气相沉积法，制备工艺复杂，难以实现规模化生产。

Wang等（文献Journal of Power Sources，2013,239,81-88）以廉价无毒的无机盐(NH₄)₃PO₄为氮源和磷源，以葡萄糖为碳源制备了氮磷共掺杂的碳材料。另外，Wang等（文献The Journal of Physical Chemistry，2013，117，14912-14919）还以氧化石墨烯为碳源，通过与(NH₄)₃PO₄固体颗粒直接物理混合后再热处理，合成出氮磷共掺杂的氧化石墨烯，该材料在超级电容器中有优异的比电容性能。但是，该方法以石墨烯为碳源，依然较难实现大规模生产，且文中未涉及该材料的氧气还原催化性能及其MFC阴极中的应用。

发明内容

    针对目前MFC阴极催化剂对于低成本高性能的需求，以及现有杂原子掺杂碳材料的制备方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种氮磷共掺杂碳材料的制备方法及其在MFC中的应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种氮磷共掺杂碳的制备方法，该方法包括如下步骤：

1）将粒径小于50微米的纤维素粉末浸泡在磷铵复合盐水溶液后，抽滤、干燥； 

2）研磨均匀后装入瓷舟，放入管式炉中的石英管内，在氮气等惰性气体的保护下，将管式炉加热到目标碳化温度，恒温保持1 h后，自然冷却到约200度以下，取出；

3）样品经蒸馏水清洗、烘干，即得氮磷共掺杂碳。

所述管式炉的加热温度为800-1000 ℃，加热速度2-20℃/min。

所述磷铵复合盐包括， (NH₄)₃PO₄（磷酸三铵）、(NH₄)₂HPO₄（磷酸二铵）、(NH₄) H₂PO₄（磷酸一铵）、NH₄PO₃（偏磷酸铵）、(NH₄)₄P₂O₇（焦磷酸铵）或(NH₄)_(n+2)P_nO_(3n+1)（聚磷酸铵，n<20）。

磷铵复合盐水溶液的pH值为2~10，磷原子的浓度为0.5 M ~2 M。

磷铵复合盐水溶液与纤维素粉末的液/固质量比为2~10，纤维素在磷铵复合盐水溶液中的浸泡时间为12~24小时。

将所述氮磷共掺杂碳作为微生物燃料电池的阴极催化剂。

本发明和现有技术相比，有如下有益效果：