[发明专利]一种新型三维纳米碳/不锈钢网复合生物阳极及其制备方法与用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型三维纳米碳/不锈钢网复合生物阳极及其制备方法与用途。

背景技术

电极材料的成本和性能对像微生物燃料电池（MFC）这样的微生物电化学系统的发展和应用起着非常关键的作用。碳材料具有良好的稳定性和微生物附着性能，因此不同结构的碳材料及其复合材料已被广泛用于作为MFCs的电极材料或集流体主要可分为一下两大类：（1）块状或粒状的多孔碳材料，如碳纸、碳纤维毡、网状的玻璃碳（RVC）、堆积的碳颗粒和石墨纤维刷、基于天然资源的三维多孔碳材料等；（2）粉状的碳材料，如碳纳米管、石墨烯、活性碳和碳黑等。块状多孔碳材料，一般直接作为电极使用或通过导电黏结剂固定在石墨或金属等集流体上制成电极使用。然而，块状碳电极具有机械强度低、本体电阻大、与外电连接的接触电阻大等缺点，其实际应用具有一定的局限性。粉状的碳材料可以通过以下两种方法制成电极：（1）黏结法：即采用聚合物粘结剂将粉状的碳材料固定到集流体上；（2）物理吸附法：以多孔聚合物为支撑体，通过分子间相互作用力吸附固定纳米碳，如碳纳米管、石墨烯等，形成纳米碳/聚合物复合电极。用黏结法制备的电极的孔隙率较低，其作为生物阳极时只能允许有限的微生物膜生长，产电效率低；其作为氧气还原阴极时，部分碳纳米材料催化剂的催化位点被粘结剂覆盖，利用率降低。采用物理吸附法制备的纳米碳/聚合物复合电极的支撑体为不导电的聚合物。电极主要靠吸附的纳米碳层导电，因此复合电极的内阻较大，其大规模应用将受到限制。

金属材料，如不锈钢等，具有高的导电性、优异的机械强度、耐腐蚀、低成本以及易成型加工等优点，被广泛用来作为MFC的电极或集流体。不锈钢表面的微生物附着性能相对较差，因此其直接作为生物阳极或生物阴极的产电效率较低【C. Dumas, A. Mollica, D. Feron, R. Basseguy, L. Etcheverry and A. Bergel, Electrochimica Acta, 2007, 53, 468-473】。采用化学气相沉积或火焰合成的方法，在不锈钢上原位修饰一层碳纳米材料，可以极大提高不锈钢电极表面的微生物附着性能【J. L. Lamp, J. S. Guest, S. Naha, K. A. Radavich, N. G. Love, M. W. Ellis and I. K. Puri, Journal of Power Sources, 2011, 196, 5829-5834】。但是，化学气相沉积或火焰合成等生长纳米碳的方法需要经历高温过程（如超过500 ^oC）。而高温热处理会改变不锈钢中金属的晶体结构和元素分布，产生元素偏析，从而极大降低了不锈钢基体的耐腐蚀性能。因此，采用该方法制备的纳米碳/不锈钢复合电极在MFC中的应用受到了极大的限制。

发明内容

针对目前MFC阳极规模化应用的限制，本发明结合纳米碳材料和不锈钢材料的优点，目的在于提供一种新型三维纳米碳/不锈钢网复合生物阳极及其制备方法。 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

（1） 将纳米碳材料均匀分散在分散介质中（如水、酒精等溶剂），形成均一的纳米碳分散液；

（2）将不锈钢网一定角度折叠形成的三维折叠结构，如图1所示；

（3）将三维折叠不锈钢网放入1 mol/L稀酸溶液 (如盐酸、硫酸和磷酸等) 浸泡1~4 h，进行表面处理，以达到一种粗糙表面的效果；

（4）将表面处理的三维折叠不锈钢网浸入到纳米碳分散液中，几分钟后取出烘干，并重复浸入/烘干循环1 ~ 5次；

纳米碳材料是碳纳米管、石墨烯和炭黑等具有1~ 100纳米尺寸的碳材料，分散介质为水、酒精等常用溶剂，分散液的浓度为2 ~ 20 g/L；

所示的不锈钢网，其材质包括SUS302、304、304L、316、316L、310s等，其孔隙大小为20 ~ 200目。

所述的一种新型三维纳米碳/不锈钢网复合生物阳极中的三维结构，其特征是按一定角度折叠而成的三维折叠结构，如图1所示。

所述的一种新型三维纳米碳/不锈钢网复合生物阳极，其折叠角度θ的范围为0 ~ 60^o，电极厚度δ的范围为0.5 ~ 10 cm。