[发明专利]一种用于微生物燃料电池的高活性碳基电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种用于微生物燃料电池的高活性碳基电极材料及其制备方法和应用。本发明使用高分子凝胶剂作为功能碳材料对碳材料表面进行修饰，同时，选用镍盐和氢氧化钾分别对功能碳材料和碳材料进行制孔，能够得到具有特定形貌的多孔碳基底上负载有多孔功能碳材料的碳基电极材料。该碳基电极材料具有特定的多孔形貌，可以显著增加碳材料的比表面积，有利于提高微生物的吸附量，进而提高电池的功率密度，与未处理的碳材料相比，制备得到的微生物燃料电池的功率密度至少提高了102.5％。

技术领域

本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种用于微生物燃料电池的高活性碳基电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

作为一种利用微生物将有机物转换为电能的生物电化学装置，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)因具有绿色环保、安全低廉，且同时具有处置废物与产电的双功能等优势被备受关注。遗憾的是，微生物燃料电池存在着一个令人头疼的短板——功率密度低，这使其在能源生产领域中的应用和发展都受到了极大的限制。因此，提高微生物燃料电池的功率密度一直是其研究和发展的重要方向。

微生物燃料电池的综合性能与电极材料、电池的具体构型、电池运行条件、营养液等息息相关。其中，阴极材料和阳极材料的电化学性能更是影响微生物燃料电池产电的重要因素之一。碳基材料作为一种新型的电极材料，具有本征导电性较高、成本较低、环境友好等优势，是一种极具应用前景的电极材料。虽然如此，目前商用的碳基材料的各项性能仍不能满足目前微生物燃料电池性能的要求。因此，人们在选择和改性碳基材料的研究方面付出了许多努力，例如：中国专利CN102881906A利用水合肼对碳基材料表面进行官能团改性，以提高微生物的附着以及电子在微生物以及电极之间的迁移，提高电池的最大功率密度，但是水合肼具有一定的毒性，对环境有一定的污染；中国专利CN111430730A通过电化学还原法在碳纤维表面沉积还原态氧化石墨烯，以提高材料的比表面积，提高微生物燃料电池的功率密度，但是该方法使用的电化学处理方法和氧化石墨烯原料具有较高的成本。

虽然上述改性策略对提升碳电极的产电性能有一定的提升，但存在成本高、对环境不友好等问题。因此，需要开发一种环保、低成本且具有优异的电化学性能的微生物燃料电池用碳基电极材料的改性方法。

发明内容

本发明为克服上述缺陷，提供一种环保、低成本且具有优异的电化学性能的微生物燃料电池用碳基电极材料的制备方法。

本发明的另一目的在于，提供由上述制备方法制备得到的碳基电极材料。

本发明的另一目的在于，提供上述碳基电极材料在制备微生物燃料电池中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种碳基电极材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.镍盐、氢氧化钾和高分子凝胶剂溶解于水中形成水凝胶；

S2.碳基底浸泡在S1.得到的水凝胶中后进行干燥得到凝胶包覆的碳基底；

S3.将S2.干燥后的凝胶包覆的碳材料在惰性氛围中，500～1000℃下进行活化1～4h，洗脱镍盐后，即得碳基电极材料。

本发明人创造性的发现，将镍盐、氢氧化钾与高分子凝胶剂混合溶解，可使得镍盐和氢氧化钾均匀分散及嵌合在水凝胶中，利用该水凝胶对碳基底进行包覆，形成包覆层，经煅烧后可得到特定形貌和结构的碳基阳极材料。具体地，在煅烧过程中，凝胶中的氢氧化钾从凝胶中脱出，一方面可以使氢氧化钾与碳基底进行充分接触，有利于碳基底上多孔形貌的形成；另一方面，凝胶经煅烧后会形成功能化碳材料包覆层，氢氧化钾从凝胶中脱出会使得包覆层形成多孔结构；另外，凝胶中的镍盐在煅烧过程中仍嵌合在包覆层中，经洗脱后可使得包覆层形成更丰富的多孔结构。