本發(fā)明涉及一種氮摻雜多孔碳的合成方法及其在微生物燃料電池陽極方面的應用。

背景技術(shù)：

由于全球化石能源短缺以及由化石能源開采和使用過程中對環(huán)境造成巨大危害，因此探索可再生環(huán)境友好型新能源迫在眉睫。微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFCs）作為一個嶄新且富有挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換并具有產(chǎn)能的裝置。它可將復雜有機生物質(zhì)中蘊含的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能（即實現(xiàn)有機水處理，又將廢水中的有機質(zhì)能量轉(zhuǎn)化成可利用的電能），因此引起全世界的廣泛關(guān)注，近十年取得了較快的研究進展。然而，因此，微生物燃料電池還遠遠難以滿足實際生產(chǎn)或生活電源的要求，為使MFCs的產(chǎn)電功率和輸出電壓得到提升，以下關(guān)鍵技術(shù)有待解決：反應器構(gòu)型、接種物來源、底物種類、質(zhì)子交換膜及電極材料等。其中，陽極電極材料作為產(chǎn)電微生物附著的載體，不僅影響陽極微生物的附著量，而且影響電子從微生物向陽極的傳遞，對提高MFC產(chǎn)電性能有至關(guān)重要的影響。目前微生物燃料電池陽極普遍使用傳統(tǒng)碳材料，主要包括石墨棒、石墨氈、碳紙、碳布、泡沫碳、碳刷和石墨泡沫等。碳材料雖然有較好的導電性，有利于電子的傳導，但碳元素表面能態(tài)較高，容易失去電子表現(xiàn)還原性，若電子要躍遷到碳電極上，則通常要較高的能量，造成較大的陽極活化過電勢。通過對碳材料進行表面預處理、修飾^[4]，或者選擇不同的陽極材料，一方面可以降低電極表面能態(tài)，從而減少電池中陽極反應的活化過電能，降低電位損失；另一方面增加微生物的附著量以及生物相容性，提高輸出功率。因此對陽極材料的修飾研究是提高為生物燃料電池功率的關(guān)鍵。

根據(jù)已有報道，通過摻雜氮、硼、磷、硫以及齒族元素等可提高碳基材料的催化活性，其中氮摻雜碳材料尤其被廣泛研究。為了提高摻氮碳基材料的性能，我們以檸檬酸鈉為碳源，三聚氰胺為氮源，發(fā)明了一種氮摻雜多孔碳N-C，因其具有較好的生物相容性及較大的比表面積，一方面利于陽極中產(chǎn)電微生物的附著，另一方面降低了陽極活化過電勢，可使微生物燃料電池的功率密度得到顯著提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及氮摻雜多孔碳的合成方法及其在微生物燃料電池陽極方面的應用，目的在于提供一種微生物氧化催化劑，提高微生物降解有機物的能力，并能產(chǎn)生較高的電能。達到既能有效降解污水中的有機物，而且提供的電能供應其他領(lǐng)域的需要。

一種氮摻雜多孔碳N-C材料的合成方法及其在微生物燃料電池陽極方面的應用，包括以下步驟：

（1）氮摻雜多孔碳N-C的合成：以檸檬酸鈉為碳源，以三聚氰胺為氮源，按不同的比例混合研磨，分別放入瓷盅里在管式爐中煅燒，從常溫，以5℃/min升溫到800℃，在800℃下保持5h。自然冷卻至室溫。取出后為黑色多孔狀固體，再次研磨，待用。

（2）氮摻雜多孔碳N-C雜質(zhì)的去除：將（1）中最終生成的復合物依次用稀鹽酸、去離子水沖洗，過濾，80℃真空條件下干燥12h，即得到氮摻雜多孔碳N-C材料。

(3)氮摻雜多孔碳N-C材料在微生物燃料電池陽極方面的應用：氮摻雜多孔碳N-C材料與相應的溶劑和粘接劑混合制作成漿液涂到長寬為2*1cm碳布上制作成微生物燃料電池陽極，與普通沒有涂合成材料的碳布一起組裝到微生物燃料電池陽極室。用普通碳刷作為微生物燃料電池陰極，與質(zhì)子交換膜一起搭建成H型微生物燃料電池裝置，外電路接電阻。在室溫為33℃條件下，將配置的陰極液和陽極微生物生長液分別裝入對應的陰、陽極室，中性溶液中進行培養(yǎng)。通過電壓數(shù)據(jù)采集器，每5 min采集一次外電阻電壓值，根據(jù)外電阻電壓值的變化，定期更換陽極微生物生長所需培養(yǎng)液。隨著培養(yǎng)時間的延長，在降低外電路電阻值的條件下，篩選出抗高電流通過的微生物菌群，待微生物陽極材料上生成穩(wěn)定的微生物膜，進一步進行相關(guān)性能的測試。

其（1）特征在于所述的三聚氰胺、檸檬酸鈉質(zhì)量分數(shù)分別為1/8、1/10、1/15。

其（1）特征在于惰性氣體為Ar氣或者N₂。

其（1）特征在于煅燒溫度為800℃。

其（2）特征在于鹽酸所述的濃度為0.1 mol/L。

其（3）特征在于陰極液和陽極培養(yǎng)液的PH值為中性。

其（3）特征在于微生物燃料電池培養(yǎng)溫度為33℃左右。

其（3）特征在于更換外電路電阻值，篩選出能夠抗高電流通過的微生物菌群。

其（3）特征在于定期更換陽極培養(yǎng)液。

本發(fā)明的優(yōu)點是：以檸檬酸鈉為碳源，三聚氰胺為氮源，發(fā)明了一種氮摻雜多孔碳N-C，因其具有較好的生物相容性及較大的比表面積，一方面利于陽極中產(chǎn)電微生物的附著，另一方面降低了陽極活化過電勢，可使微生物燃料電池的功率密度得到顯著提高。

附圖說明

圖1是氮摻雜多孔碳N-C材料合成流程圖；

圖2是氮摻雜多孔碳N-C材料掃描電鏡圖；

圖3是氮摻雜多孔碳N-C材料與普通碳布用于微生物燃料電池陽極的電壓和功率密度對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，但需要說明的是實施例并不構(gòu)成對本發(fā)明要求保護范圍的限定。

實施案例

1. 氮摻雜多孔碳N-C材料的合成：稱取1g三聚氰胺和10g檸檬酸鈉，將其混合，在研缽中研磨均勻，放入瓷盅內(nèi)。再將瓷盅放入管式爐中煅燒，煅燒溫度是從20℃以5℃/min升溫至800℃，在800℃條件下保持5h，自然冷卻至室溫，得到黑色固體，即氮摻雜多孔碳復合物，如圖1所示。

2. 氮摻雜多孔碳N-C材料的后續(xù)除雜：將1中生成的固體物質(zhì)研磨后，依次用0.1M稀鹽酸、去離子水沖洗，在真空干燥箱中80℃干燥12h，生成黑色多孔狀固體，合成材料形貌如圖2所示。

3.氮摻雜多孔碳N-C材料與相應的溶劑和粘接劑混合制作成漿液涂到長寬為2*1cm碳布上制作成微生物燃料電池陽極，與普通沒有涂合成材料的碳布一起組裝到微生物燃料電池陽極室進行培養(yǎng)，待微生物生長穩(wěn)定后進行電化學性能測試，測試結(jié)果與同陽極室沒有涂合成材料的普通碳布電極進行比對，功率密度變化曲線的測試結(jié)果如圖3所示。