[发明专利]一种氮硼共掺杂碳基微生物燃料电池阴极降解苯酚的方法

说明书

本发明利用两步合成方法，以柚子皮为碳源，三聚氰胺为氮源，硼酸为硼源，CoCl₂·6H₂O为助催化剂，制备了氮硼共掺杂碳基催化剂（BNBC），并将其作为微生物燃料电池（MFC）阴极催化剂。通过结构表征及性能测试，获得了BNBC阴极MFC的产电性能及其对苯酚的降解效果。过程包括：一、BNBC阴极催化剂的制备；二、BNBC阴极电极的制备；三、单室MFC反应器的组装；四、MFC反应器的运行及苯酚的降解。结果表明，BNBC阴极MFC具有稳定的功率输出，并且在苯酚初始浓度为200mg/L时，苯酚废水的降解率可达98.2%，说明BNBC阴极MFC在有效产电的同时，对废水中苯酚也有着优异的降解效果。本发明制备工艺简单，成本低廉，环境友好，对苯酚具有很好的降解效率，能有效降低苯酚废水处理过程的能源消耗。

技术领域

本发明属于微生物电化学和废水处理技术领域，具体涉及一种氮硼共掺杂碳基微生物燃料电池阴极降解苯酚的方法。

背景技术

有机污染物作为水体四大污染源之首一直受到广泛的重视，其中酚类物质是其中具有高毒性的一类有机污染物。苯酚作为一种典型的酚类难降解物质，广泛用于合成树脂、香料、染料、炼油、农药、医药等生产中。当人体摄入一定量的苯酚时，会造成急性中毒，甚至抑制中枢神经或损害肝、肾功能。当水中含酚量大于5mg/L时，会造成水生生物中毒死亡。目前，苯酚废水的处理技术主要有活性炭吸附、生物法、光催化氧化法、化学氧化法等，但处理效果均没有达到理想状态，存在着各种能源耗费较高的缺陷。

微生物燃料电池（MFCs）是生物电化学系统中的一种应用装置，由于其集污水处理与能源转换为一体而受到广泛关注。它可以利用大部分的复杂有机物和可再生物质作为底物，底物被微生物氧化产生电子并转移到阳极，再通过外电路转移到阴极，形成闭合回路，质子在阴极与氧气发生还原反应，得到产物水。相比于其他污水处理装置，MFCs 组装简单，成本低廉，处理效率高，在25℃的常温环境中即可运行。而阴极材料对 MFCs 的性能提升有着较大的影响。常见的阴极材料包括Pt/C、石墨、活性炭、碳纳米管和生物质碳等；其中，生物质碳不仅价格低廉，环境友好，其独特的天然成分和孔道结构也对催化活性的提升起到重要的作用。对生物质碳进行杂原子掺杂可以改变生物质碳结构的局部电荷密度，提高生物质碳的电子转导性，降低电阻率，进一步提升其催化活性。因此，将硼酸作为硼源，三聚氰胺作为氮源，采用两步热解法将硼原子和氮原子引入生物质碳骨架中，制备出具有高催化活性的无金属催化剂用于MFC的阴极。该阴极催化剂具有价格低廉、制备简易、实用性广等优点，能够有效提升阴极ORR活性与降解性能，并且可防止阴极发生金属浸润和聚集的现象，避免二次污染，因此，具有十分广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了解决水中的苯酚大量残留在环境中，对生态环境和人类健康造成严重威胁的问题，提供一种利用具有高催化活性的氮硼共掺杂碳基微生物燃料电池阴极来降解水中苯酚的方法。

BNBC阴极催化剂的制备：将不同摩尔比的CoCl₂·6H₂O、三聚氰胺与硼酸溶解到50mL去离子水中，然后，将2g干燥的柚子皮粉末加入到混合溶液中，充分搅拌至完全混合。将上述悬浊溶液加入聚四氟乙烯高压釜中于180℃下水热12h。将水热后的产物放入60℃的烘箱中干燥以去除水份。随后，将干燥后获得的固体产物转移到管式炉中，在N₂气氛下以2℃min^–1的加热速率从室温加热到900℃，并在目标温度下保持2h，得到黑色的碳化产物。用0.5M的硝酸浸没黑色样品，在80℃下水浴5h；酸处理后的样品用去离子水洗涤至滤液为中性，再用无水乙醇洗涤三次，过滤，干燥后得到BNBC阴极催化剂。

BNBC阴极电极的制备：将导电炭黑与60wt.%的聚四氟乙烯（PTFE）以3：7的质量比混合，搅拌至粘稠状，再用压片机将其与不锈钢网进行压合，最后放入马弗炉中 340℃下煅烧1h。不锈钢网的另一侧则以1：1质量比混合BNBC和PTFE，搅拌至粘稠状后进行压合，再放入60℃烘箱内烘干，最后将烘干后的阴极电极片剪成半径为1.5cm 的圆形。