，蓋上蓋子，攪拌混勻；將所有C-PTFE 懸濁液用小刷子均勻涂布在碳布表面。涂布時應(yīng)小心操作，以免懸濁液弄到碳布的另外一 面；涂布完成后置于硬紙板上風(fēng)干至少2h。也可用吹風(fēng)機(jī)以加快干燥過程；將馬弗爐預(yù)熱 到370°C，然后將一塊耐高溫瓷托盤放到馬弗爐中，再將風(fēng)干后的碳布放到瓷托盤上，關(guān)閉 馬弗爐門，熱處理持續(xù)20-30min ;打開馬弗爐門，拿出瓷托盤和碳布冷卻至室溫。冷卻后的 碳布會發(fā)生卷曲。
[0070] 搖動60 % PTFE乳液管使懸濁液盡可能分散均勻；用一個新的小刷子將其均勻 涂在上面得到碳布的另外一面（涂布一層）；趕掉氣泡、保證碳布表面涂布均勻；風(fēng)干 5-10min，干燥后涂層應(yīng)變?yōu)榘咨粚⑻疾贾糜谝粔K耐高溫瓷托盤并放到事先預(yù)熱到370°C 的馬弗爐熱處理l〇_15min (注意：使用厚棉手套以免燙傷）；打開馬弗爐門，拿出瓷托盤和 碳布冷卻至室溫（注意：使用厚棉手套以免燙傷）。冷卻后，含PTFF層碳布應(yīng)變得黑亮；重 復(fù)步驟1-6三次，總共涂布、熱處理4層PTFE涂層。此時的PTFE層可提供最優(yōu)的擴(kuò)散層厚 度；用剪刀加成需要的電極尺寸。
[0071] 最后，將制備好的EGCx-y-z和Pt/C(20% )催化劑分散于Nafion和異丙醇及去離 子水中均勻刷在預(yù)處理后的碳基層上。
[0072] 實施例8
[0073] MFC的啟動及運行
[0074] 本發(fā)明所用的MFC反應(yīng)器均為單室無膜的空氣陰極反應(yīng)器，有效容積約為 18. 25mL，電極間距均為3cm，電極面積均為3. 14cm2,將由EGCx-y-z組裝的MFC命名為 MFC-EGCx-y-z，另外，加裝一組對照試驗，用Pt/C(20% )作為空氣陰極組裝MFC，命名為 MFC-Pt/C(20% ) 〇
[0075] 取池塘底泥預(yù)培養(yǎng)3~4d后作為接種物。預(yù)培養(yǎng)液的組分為：lg · L 1葡萄糖， 0. 08g · L ^Η^Ι,Ο. 04g · L 48g · L 1酵母膏和5mL · L 1微量元素溶液。營養(yǎng)液 是人工模擬廢水（lg · L1的葡萄糖營養(yǎng)液），組分為lg · L 1葡萄糖，5mL · L 1維他命溶 液，12. 5mL · L 1微量元素和50mmol · L tBS溶液（PBS溶液的組分為：0. 31g · L WHfl， 2. 452g .L WaHfOA ·Η20,0· 576g .L Wa^POdP 0· 13g .L ^Cl)。將接種物和營養(yǎng)液按照 1:1 的體積比混合后接種MFC，然后將回路的外電阻調(diào)為1000 Ω。MFC的輸出電壓采用Keithley 2700采集。當(dāng)MFC輸出電壓持續(xù)下降或者下降至0. 05V左右時及時更換接種液，如此循環(huán)， 直到輸出電壓達(dá)到0.1 V以上，視為啟動成功。此后僅更換lg^L1的葡萄糖營養(yǎng)液。組裝 好的三個電池均為生化培養(yǎng)箱中30 °C恒溫培養(yǎng)。
[0076] 通過本實例驗證了所有的MFC-EGCx-y-z均可以成功的啟動，并得到了性能最好 的 MFC-EGC1-10-2,且其電池能優(yōu)于 MFC-Pt/C(20% )。
[0077] 實施例9
[0078] MFC的性能測試
[0079] MFC的性能測試：MFC的電池性能數(shù)據(jù)用Keithley 2700進(jìn)行采集。其中輸出電壓 U可以用采集器直接監(jiān)測，每10s采集一個數(shù)據(jù)，外接電阻采用5位可變直流電阻箱（天水 長城電工，ZX-21)，電流通過公式I =U/R算出。其中I為電流，U為輸出電壓，R為外回路 電阻。
[0080] 極化曲線的繪制過程如下：在電池的輸出電壓達(dá)到最高并穩(wěn)定的幾個小時內(nèi)，利 用變阻箱從1000Ω到100Ω調(diào)節(jié)外回路外阻，采集輸出電壓，并利用歐姆定律計算電流密 度，以電流密度為橫軸，電池電壓為縱軸來繪制極化曲線，內(nèi)阻則由極化曲線線性部分的斜 率估算。本發(fā)明的功率密度曲線的繪制過程如下：功率密度由公式P = UV(RS)算出，式中 U為輸出電壓，R為外回路電阻，S為電極面積。以電流密度為橫軸，功率密度為縱軸來繪制 功率密度曲線。
[0081] 通過本實例可以得出MFC-EGC1-10-2和MFC-Pt/C(20% )的最大功率密度分別 為737. lmW · m2、和704. OmW · m2,內(nèi)阻均為300Ω，開路電壓分別為〇. 755V和0. 758V。 可以看出MFC-EGC1-10-2和MFC-Pt/C(20% )的所有產(chǎn)電性相當(dāng)，且優(yōu)于MFC-EGC2-5-2、 MFC-EGCl-15-2、MFC-EGCl-5-2、MFC-EGC0· 5-5-2。從而選擇出雞蛋：g-C3N4l 的比例，升溫速 率為10°C /min的情況下催化劑效果最好。由圖7可看出所有陰極材料產(chǎn)電性能優(yōu)劣，對比 得出催化劑由好到差的順序 EGC1-10-2、Pt/C(20% )、EGC1-15-2、EGC1-5-2、EGC0. 5-5-2、 EGC2-5-2。圖7也可以看出陽極的性能差異不大，說明陽極不會太多影響電池的性能。 有圖8可以看出MFC-EGC1-10-2和MFC-Pt/C(20% )的穩(wěn)定電壓是最高也是相當(dāng)?shù)模?MFC-EGC1-10-2的啟動時間比MFC-Pt/C(20% )的啟動時間快50h。即證明EGC1-10-2適合 做替代Pt/C(20% )作為非貴金屬高效電池陰極氧還原催化劑材料。
[0082] 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上述實施例的 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(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種摻雜碳納米催化劑的制備方法，其特征在于，步驟如下： 將整只熟雞蛋研磨脫水后與g-C3N4混合，所述脫水后雞蛋和g-C3N4的質(zhì)量比為0. 5~ 2,將上述混合物研磨均勻放入管式爐中通氮氣保護(hù)，在以5~15°C/min的升溫速率在 800~1000°C下煅燒1~3h，即得到摻雜碳納米催化劑。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述g_C3N4通過尿素脫水研磨均勻后放 入550°C馬弗爐中煅燒3h制備。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述脫水雞蛋和g-C3N4的質(zhì)量比為1。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，管式爐中的升溫速率為10°C/ min，煅燒溫度為900°C，煅燒時間為2h。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述干燥脫水是在80°C下鼓風(fēng) 干燥24h。6. 權(quán)利要求1~5所述任一項方法制備的摻雜碳納米催化劑。7. 權(quán)利要求6所述摻雜碳納米催化劑的應(yīng)用，其特征在于，利用該催化劑制備微生物 燃料電池的空氣陰極。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，所述空氣陰極的制備方法為：先將基 體材料碳布用石墨和40 %PTFE混合物涂布，風(fēng)干后在事先預(yù)熱到370 °C馬弗爐中處理 20-30min，然后在一面涂PTFE層作為擴(kuò)散層，在另一面涂上摻雜碳納米催化劑。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，所述擴(kuò)散層的具體制備過程為：搖動60 % PTFE乳液管使懸濁液盡可能分散均勻，用刷子將其均勻涂在碳布上；風(fēng)干5-10min后將碳 布置于事先預(yù)熱到370°C的馬弗爐熱處理10_15min;然后取出碳布冷卻至室溫；重復(fù)三次， 總共涂布、熱處理4層PTFE涂層。10. 根據(jù)權(quán)利要求7或8或9所述的應(yīng)用，其特征在于，利用所述空氣陰極運行微生物 燃料電池，其過程為：將養(yǎng)豬場底泥預(yù)培養(yǎng)后，取上清液作為接種物；將接種物和lg·L1的 葡萄糖營養(yǎng)液按照1:1的體積比混合后接種于微生物燃料電池，在溫度為30°C的條件下運 行； 所述預(yù)培養(yǎng)時所用營養(yǎng)液的組分如下：lg·L1葡萄糖，0. 08g·L他仰， 0· 04g·L加刊，· 48g·L1酵母膏和5mL·L1微量元素溶液； 所述葡萄糖營養(yǎng)液的組分如下dg^L1葡萄糖，5mL*L1維他命溶液，12. 5mL*L1微量 元素和50_〇1 ·LipBS溶液。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種摻雜碳納米催化劑及其制備方法和應(yīng)用，步驟如下：將整只熟雞蛋研磨脫水后與g-C3N4混合，所述脫水后雞蛋和g-C3N4的質(zhì)量比為0.5～2，將上述混合物研磨均勻放入管式爐中通氮氣保護(hù)，在以5～15℃/min的升溫速率在800～1000℃下煅燒1～3h，即得到摻雜碳納米催化劑。本發(fā)明的摻雜碳納米催化劑所用原材料廉價，方法簡單，產(chǎn)量大，且通過改變原材料比例和升溫速率得到催化效果最好的摻雜碳納米催化劑，使其在中性條件下，其氧還原效果在一定程度上可以替代昂貴的Pt/C(20％)。
【IPC分類】B01J27/24, H01M4/90, B01J35/10
【公開號】CN105413731
【申請?zhí)枴緾N201510929372
【發(fā)明人】朱能武, 楊婷婷, 黃健鍵, 吳平霄
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月14日