一種利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法，包括以下步驟：首先將剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，在惰性氣氛下400～900攝氏度下煅燒1～3小時，然后去除無機物，干燥后得到燃料電池的自摻雜碳催化材料。本發(fā)明不僅處理了環(huán)境污染問題，同時制備了高性能的氧還原催化劑，合成方法簡單，成本低。
【專利說明】一種利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料催化材料領(lǐng)域，特別涉及一種利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種綠色環(huán)保新能源技術(shù)，其中鉬基氧還原電催化材料是最有效的燃料電池電極材料。但是由于其高的價格、低儲量和易中毒等特點限制了鉬基催化劑的應(yīng)用。開發(fā)低成本的非貴金屬和非金屬的氧還原催化劑引起研究人員的廣泛關(guān)注。同時，通過氮、硫等摻雜氧還原電極材料可以顯著提高氧還原特性。另一方面，全球性污染問題日趨嚴重，如何有效地治理環(huán)境污染成為了人類面臨和亟待解決的重大課題。水中污染物來源于工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如礦場、造紙、紡織、電鍍及生活污水等污染源。包含大量的有害有機污染物和重金屬離子的水污染物會對人體健康造成嚴重的危害，也進一步加劇了水資源的短缺，嚴重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民的日常生活。目前用于污水處理的最有效方法是微生物降解法，通過微生物吸附、吸收和轉(zhuǎn)化過程，除水中的污染物。但微生物降解法在獲得干凈水的同時，也產(chǎn)生了大量的復(fù)合重金屬和有機污染物的剩余污泥。剩余污泥根據(jù)不同的來源成分有所不同，如鋼鐵廠剩余污泥富含鐵鹽，電鍍廠剩余污泥富含重金屬，印刷廠剩余污泥富含氮化合物等。無論何種剩余污泥，其主要組成分為以下幾個部分:無機物(氧化硅等)，有機物(微生物細胞、酚類等)和金屬離子(鐵離子、銅離子、鉻離子、鎳離子等)。如何有效地處理這些帶污染的剩余污泥成為科研人員的一個急需解決的難題。目前，這些污泥通常采用填埋等簡單方式處理，這種處理方式會使剩余污泥中的污染物再次滲透到土壤和地下水中，無法根本解決環(huán)境污染問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用剩余污泥制備燃料電池的氧還原電極材料的方法，不僅處理了環(huán)境污染問題，同時制備了高性能的自摻雜的氧還原碳基催化劑，合成方法簡單，成本低。
[0004]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]一種利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法，包括以下步驟:
[0006]首先將剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，在惰性氣氛下于400?900攝氏度下煅燒I?3小時，干燥后得到燃料電池的自摻雜碳催化材料。
[0007]所述去除無機物，具體為:采用酸處理，去除無機物。
[0008]所述酸處理為采用氫氟酸、鹽酸或磷酸進行處理。
[0009]所述剩余污泥為生活污水剩余污泥或富含金屬元素的剩余污泥。
[0010]所述燃料電池的自摻雜碳催化材料包括氮摻雜的多孔碳和金屬摻雜的多孔碳。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:[0012]1.本發(fā)明解決了剩余污泥污染環(huán)境的問題，并變廢為寶制備了燃料電池的自摻雜碳催化材料。
[0013]2.本發(fā)明合成的燃料電池的自摻雜碳催化材料具有高的比表面積、高的氧還原活性、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和耐中毒性。
[0014]3.本發(fā)明制備的燃料電池的自摻雜碳催化材料所需的碳和金屬金屬元素，以及自摻雜的氮等素都全部來源于剩余污泥。
[0015]4.本發(fā)明的合成工藝簡單，制備成本低，原料豐富。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是實施例1中通過掃描電鏡獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的形貌圖。
[0017]圖2是實施例1中通過透射電鏡獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的形貌圖。
[0018]圖3是實施例1中通過氮氣吸脫附獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的比表面積結(jié)果。
[0019]圖4是實施例1中通過氮氣吸脫附獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的孔徑分
布結(jié)果。
[0020]圖5是實施例1中通過XPS測定的燃料電池的自摻雜碳催化材料的元素組成結(jié)
果O
[0021]圖6是通過CV測試實施例1的燃料電池的自摻雜碳催化材料的氧還原結(jié)果。
[0022]圖7通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極測試的實施例1的燃料電池的自摻雜碳催化材料的極化曲
線結(jié)果。
[0023]圖8是實施例1合成的燃料電池的自摻雜碳催化材料和商業(yè)鉬碳耐甲醇中毒性能對比結(jié)果。
[0024]圖9是實施例1合成的燃料電池的自摻雜碳催化材料和商業(yè)鉬碳耐CO中毒性能對比結(jié)果。
[0025]圖10是實施例2中不同煅燒溫度下獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的極化
曲線結(jié)果。
[0026]圖11是實施例3中富含鈷元素的污剩余泥煅燒獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的CV曲線結(jié)果。
[0027]圖12是實施例4中富含銅元素的剩余污泥煅燒獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的CV曲線結(jié)果。
[0028]圖13是實施例5中富含鐵元素的剩余污泥煅燒獲得的燃料電池的自摻雜碳催化材料的CV曲線結(jié)果。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0030]實施例1
[0031]將10克生活污水廠剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，與氯化鋅按質(zhì)量比為1:5的混合均勻。然后在惰性氣氛下，700攝氏度煅燒2小時。采用氫氟酸去除無機物，然后60攝氏度干燥12小時，得到多孔碳，即燃料電池的自摻雜碳催化材料。通過掃描電鏡和透射電鏡觀察合成的自摻雜碳催化材料形貌圖如圖1和圖2所示，可以看到無序多孔形貌。通過氮氣吸脫附測試得到自摻雜碳催化材料的比表面積為754.5m2/g，如圖3所示；孔徑分布如圖4所示，主要孔直徑集中在10納米左右。通過XPS分析(如圖5)所示，說明得到的自摻雜碳催化材料含有碳、氮、氧和氟元素，氮摻雜有利于電催化活性的提高。
[0032]以本實施例制備的自摻雜碳催化材料為氧還原催化劑，采用三電極體系的電化學(xué)工作站，0.1M KOH水溶液為電解液，對電極是Pt線，參比電極采用銀氯化銀電極，負載自摻雜碳催化材料料的玻碳電極為工作電極，測定氧還原性能，結(jié)果如圖6所示。在100mV/S的掃描速率下，氮氣和氧氣環(huán)境下，自摻雜碳催化材料具有良好的氧還原催化活性。同時，通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極測定不同旋轉(zhuǎn)速度下的極化曲線(見圖7)，說明自摻雜碳催化材料具有良好的電催化活性，氧還原轉(zhuǎn)移電子數(shù)為3.6左右。
[0033]以本實施例制備的自摻雜碳催化材料為氧還原催化劑，采用三電極體系的電化學(xué)工作站，0.1M KOH水溶液為電解液，對電極是Pt線，參比電極采用銀氯化銀電極，負載自摻雜碳催化材料的玻碳電極為工作電極，在電解液中加入甲醇溶液，測定氧還原性能，結(jié)果如圖8所示。通過時間電流曲線可以看到合成的自摻雜碳催化材料具有良好的耐甲醇中毒特性,而商業(yè)的Pt/C容易甲醇中毒。
[0034]以本實施例制備的氮摻雜的多孔碳為氧還原催化劑，采用三電極體系的電化學(xué)工作站，0.1M KOH水溶液為電解液，對電極是Pt線，參比電極采用銀氯化銀電極，負載自摻雜碳催化材料的玻碳電極為工作電極，在電解液中通入CO氣體，測定氧還原性能，結(jié)果如圖9所示。通過時間電流曲線可以看到合成的氧還原催化材料具有良好的耐CO中獨特性，電流強度未見明顯降低，而商業(yè)的Pt/C容易CO中毒，電流密度急劇下降。
[0035]實施例2
[0036]將10克剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，然后在惰性氣氛下，分別于400、500、600、700、800、900攝氏度煅燒2小時，采用鹽酸去除無機物，然后60攝氏度干燥12小時，得到不同溫度煅燒的自摻雜碳催化材料，其極化曲線如圖10所示，在700度煅燒獲得最好的氧還原催化性能。
[0037]實施例3
[0038]將10克富含鈷剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，然后在惰性氣氛下，400攝氏度煅燒3小時，采用磷酸去除無機物，然后60攝氏度干燥12小時，得到富含鈷的自摻雜碳催化材料。以得到的富含鈷的自摻雜碳催化材料為氧還原催化劑，采用三電極體系的電化學(xué)工作站，0.1M KOH水溶液為電解液，對電極是Pt線，參比電極采用銀氯化銀電極，負載氧還原催化劑的玻碳電極為工作電極，測定氧還原性能，結(jié)果如圖11所示。在100mV/S的掃描速率下，氮氣和氧氣環(huán)境下，富含鈷自摻雜碳催化材料具有良好的氧還原催化活性。
[0039]實施例4
[0040]將10克富含銅剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，然后在惰性氣氛下，900攝氏度煅燒I小時。以得到的富含銅的自摻雜碳催化材料為氧還原催化劑，采用三電極體系的電化學(xué)工作站，0.1M KOH水溶液為電解液，對電極是Pt線，參比電極采用銀氯化銀電極，負載自摻雜碳催化材料的玻碳電極為工作電極，測定CV性能，結(jié)果如圖12所示。在100mV/S的掃描速率下，氮氣和氧氣環(huán)境下，富含銅的自摻雜碳催化材料具有良好的氧還原催化活性。
[0041]實施例5[0042]將10克富含鐵剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，然后在惰性氣氛下，500攝氏度煅燒2小時。以得到的富含鐵的自摻雜碳催化材料為氧還原催化劑，采用三電極體系的電化學(xué)工作站，0.1M KOH水溶液為電解液，對電極是Pt線，參比電極采用銀氯化銀電極，負載自摻雜碳催化材料的玻碳電極為工作電極，測定CV性能，結(jié)果如圖13所示。在100mV/S的掃描速率下，氮氣和氧氣環(huán)境下，富含鐵的自摻雜碳催化材料具有良好的氧還原催化活性。
[0043]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: 首先將剩余污泥干燥、粉碎、過100目篩，在惰性氣氛下于400?900攝氏度下煅燒I?3小時，然后去除無機物，干燥后得到燃料電池的自摻雜碳催化材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法，其特征在于，所述去除無機物，具體為:采用酸處理，去除無機物。
3.據(jù)權(quán)利要求2所述的利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法，所述酸處理為采用氫氟酸、鹽酸或磷酸進行處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法，其特征在于，所述剩余污泥為生活污水剩余污泥或富含金屬元素的剩余污泥。
5.權(quán)利要求1?4任一項所述利用剩余污泥制備燃料電池的自摻雜碳催化材料的方法，其特征在于，所述燃料電池的自摻雜碳催化材料包括氮摻雜的多孔碳和金屬摻雜的多孔碳。
【文檔編號】B01J27/24GK103769190SQ201410039819
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】周偉家, 周凱, 陳少偉, 劉小軍 申請人:華南理工大學(xué)