[发明专利]一种氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源和新材料应用技术领域，涉及一种复合材料的制备方法及其在微生物燃料电池阴极中的应用。

背景技术

微生物燃料电池(Microbialfuelcells，MFCs)是微生物与燃料电池技术相结合的产物，其基本原理是有机物在阳极室厌氧环境下被微生物氧化分解后释放出电子和质子，电子依靠合适的传递介质在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极，而质子通过电解液传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原，同时与质子结合成水，最终达到产生电流的效果。由于MFCs在处置有机废弃物的同时产生清洁的电能，因此其被视为一项极具应用前景的新能源技术。

在MFCs技术中，阴极反应是影响电能输出的重要环节，因此，选择合适的阴极电子受体及其相应的阴极催化剂便成为了大幅提高MFCs输出功率的关键。目前，空气(氧气)因其简单易得，成本低廉的特性而作为阴极电子受体得到普遍使用，然而，针对阴极的氧还原反应会因为动力学因素的影响而不能保持长期稳定的功率输出，因此，为了维持发生在阴极的反应持续高效的进行，选择高效稳定的阴极催化剂对反应进行催化就显得尤为重要。多年以来，贵金属铂(Pt)被认为催化氧还原反应最为高效和稳定的催化剂。但Pt的昂贵价格以及稀缺的资源严重限制了其在氧还原催化剂方面的应用。因此，寻找催化高效、成本低廉的氧还原催化剂成为微生物燃料电池研究的关键领域之一。

近年来，含氮碳材料，由于其优异的电催化活性，低廉的成本，对环境友好以及持续而高效的特点，被普遍认为是一种颇具潜力的非金属电催化剂(文献Science，2009，323，760-764；JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011，133，20116-20119)。其中，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种典型的富含氮元素的非金属碳材料，具有类石墨结构，是碳氮化合物中最稳定的同素异形体。g-C₃N₄已经被证明能够对氧还原反应等表现出优异的催化活性(文献Energy&EnvironmentalScience,2012,5，6717-6731)，原因主要在于其具有丰富的吡啶氮活性组分。然而，由于g-C₃N₄受到较差电导能力和低比表面积的影响，其作为阴极催化剂的应用会不可避免的受到制约。

碳纳米管由于其独特的中空结构、高的比表面积、良好的导电性、显著的力学、电化学等，使其在诸多领域有着良好的应用前景。近年来,通过对碳纳米管进行氮掺杂，以提高碳纳米管的应用性能，成为碳纳米管合成和应用领域的研究热点之一。对碳纳米管进行氮掺杂不仅改善了其水分散性，而且氮掺杂原子能够改变碳纳米管局部电荷密度，提高碳纳米管的电子传递性，降低电阻系数。最近有学者发现，经过氮元素掺杂过的碳纳米管在碱性或者酸性介质中具有很强的氧还原催化活性，其用作燃料电池阴极氧还原反应非金属催化剂的应用前景十分广阔(文献Nature,2009,323,760-764；JournaloftheAmericanChemicalSociety,2010,132,15839-15841)。目前，氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料作为阴极氧还原催化剂应用于含有中性介质的MFCs技术尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料的制备方法，具有工艺简单、成本低廉、周期短、环境友好等优点。

本发明的另一个目的是提供一种上述氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料的用途。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将氮掺杂碳纳米管与固态单氰胺粉末研磨混合，将混合后的氮掺杂碳纳米管/单氰胺粉末煅烧反应，然后分别用乙醇和超纯水洗涤后离心、干燥，得到氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料。

所述氮掺杂碳纳米管与单氰胺的质量比为1:10～1:100。

所述研磨混合的时间为0.5～1.5h。

所述煅烧反应的温度为450～600℃，时间为1～3h。

一种上述制备得到的氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料在微生物燃料电池中的用途。

一种上述氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料制备催化电极的方法，包括以下步骤：