[发明专利]一种活性炭的处理方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源于环境工程技术领域，具体设计化学活化活性炭材料及其在空气阴极微生物燃料电池中的应用。

背景技术

当微生物燃料电池技术是一种近年来发展起来的新技术，是一种能够将废水中有机物中的化学能在微生物的作用下直接转化为电能的装置，在产生电能的同时可以降解水中有机物，对废水进行处理，可以在常温常压下的环境中运行，操作条件温和。微生物燃料电池是一项具有广阔应用前景的绿色能源技术，作为一项可持续生物工业技术，是一种理想的新型能源，它为未来能源的需求提供了一个良好的保障。

当前，由于其较低的功率输出，因此微生物燃料电池的实际应用受到了很大的限制。这主要是由于微生物对有机物的氧化速率较慢，电池内阻较大，阴极活化电势较低，电荷转移的速率较小等原因造成的。为提高了功率输出，已经做了大量的工作。其中，阴极作为对微生物燃料电池影响最大的因素，受到了很大的关注和研究。采用廉价高效的电极材料，使用简单方便的制作方法，都可以提高微生物燃料电池的产电性和实用性。

为提高阴极的性能，可通过高性能的催化剂对其表面进行改性来提高阴极反应活化电势，进而加快反应速率。目前。通常采用的催化剂为铂但是铂作为贵金属，价格昂贵，利用铂作为催化剂大大提高了微生物燃料电池的成本，这就很大程度上限制了微生物燃料电池在实际中的应用。通过使用其他催化剂来替代铂的研究也越来越广泛，如使用MnO₂，Fe₃O₄，等。然而这些采用重金属作为催化剂的研究，容易造成金属离子渗透到溶液中，引起二次污染。

活性炭作为价格低廉，容易制得，并且具有很好的催化性能，能够在阴极材料的使用中发挥巨大作用。最近活性炭空气阴极的制作取得了许多突破性进展并且已经被证明具有很好的氧化还原性能。王鑫等人（中国专利CN102655235A）采用的辊压法制作空气阴极，操作相对简单，具有很好的复现性，同时应用于微生物燃料电池也能产生较好的效果。然而，直接利用活性炭作为阴极催化剂材料还存在着活化电位不高，功率密度较低等缺陷。

化学活化方法是一种廉价而且有效的活性炭改性方法。Watson（Journal of Power Sources，2013,242:756-761）等研究表明通过氮气处理活性炭，活性炭表面可以形成含氮官能团，能够提高活性炭的氧化还原性能；Yu（Microporous and Mesoporous Materials,2013,172:131-135）等的研究活性炭经过酸处理之后，其表面官能团以及孔径结构都会发生变化，进而影响其相应的性质。综上，化学活化方法能够改善活性炭材料的化学性能，然而关于磷酸盐活化活性炭材料进行改性并应用于微生物燃料电池却鲜有报道。磷酸盐的具有一定的酸性，通过对活性炭处理，可以改变活性炭的表面化学性质和物理性质，同时其成本较低，可以降低微生物燃料电池的成本，因此可以利用改性后的活性炭材料来制作微生物燃料电池空气阴极。

发明内容

本发明的目的是利用磷酸盐活化活性炭材料制备空气阴极代替贵金属修饰的方法应用于微生物燃料电池中，可以大大降低卫生燃料电池的成本，增加其在实际中应用的可行性。同时，利用活化的活性炭制备的空气阴极应用于微生物燃料电池中能够提高阴极的氧化还原能力，进而提高电池的输出功率。

本发明的主要内容如下：

一种活性炭的处理方法，是以活性炭材料为基体，利用磷酸盐处理活性炭改变其表面性质，得到一种阴极材料，制得相应的空气阴极；包括如下步骤：

（1）首先，利用去离子水对活性炭材料进行清洗；

（2）然后，在80℃条件下，利用摩尔浓度为0.5-2M的磷酸盐溶液进行浸泡活化，搅拌处理12-24小时；

（3）清洗，烘干，即得到所要的空气阴极材料。

所述活性炭材料是普通活性炭、超级电容活性炭或碳纤维活性炭。

所述磷酸盐包括了磷酸、磷酸一氢钠、磷酸二氢钠或磷酸钠。

所述的活性炭的处理方法制备的空气阴极在微生物燃料电池中的应用，所述的阴极材料作为空气阴极的催化层。

所述磷酸盐处理的浓度在0.5-2M之间。

本发明验证磷酸盐化学活化活性炭空气阴极应用于微生物燃料电池的过程如下：

第一步：磷酸盐活化活性炭材料的制备与表征