氮磷雙摻雜的碳材料及其制備方法和應用
【專利摘要】本發明公開了一種氮磷雙摻雜的碳材料及其應用，氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法為：將富磷污泥制成富磷污泥粉末，煅燒得到初步的碳材料，之后經濃鹽酸處理得到氮磷雙摻雜的碳材料；氮磷雙摻雜的碳材料能夠作為陰極催化劑應用于微生物燃料電池中。本發明利用污水處理廠的富磷污泥作為原料，將其轉化為具有附加值的產品，實現了對廢棄的富磷污泥資源化利用；本發明使用氮磷雙摻雜的碳材料代替了常規的Pt/C催化材料，成本低廉，催化活性高和穩定性強；本發明制備的氮磷雙摻雜的碳材料反應時間較短，工藝簡單，從而達到了縮短生產周期的目的。
【專利說明】
氮磷雙摻雜的碳材料及其制備方法和應用
技術領域
[0001] 本發明屬于新能源和新材料應用技術領域，具體涉及一種氮磷雙摻雜的碳材料及 其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 微生物燃料電池 (Microbial fuel cells，MFCs)是微生物與燃料電池技術相結合 的產物，它能夠利用微生物將有機物中的化學能直接轉化為電能。其基本原理是:在陽極室 厭氧環境下，有機物被微生物氧化分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的傳遞介質在 生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子 交換膜傳遞到陰極，氧化劑(一般為氧氣）在陰極得到電子被還原，同時與質子結合成水。 MFCs在將化學能轉化為電能的時候能夠獲得很高的轉化效率，是未來緩解能源和環境問題 的有效途徑，引起了科研工作者的廣泛關注。
[0003] 在MFCs技術中，功率輸出的提高一直是相關研究工作的重點。而陰極反應是影響 電能輸出的重要環節，因此，選擇合適的陰極電子受體及其相應的陰極催化劑便成為了大 幅度提高MFCs輸出功率的關鍵。目前，因為氧氣簡單易得、成本低廉，常被作為陰極電子受 體得到普遍使用，然而，陰極的氧化還原反應會因為動力學因素的影響而不能保持高效穩 定的功率輸出。為了維持陰極反應的持續高效進行，高效穩定的陰極催化劑的選擇就顯得 尤為重要。目前在MFCs中應用最多的還是鉑(Pt)催化劑，但是Pt價格昂貴、資源稀缺，這些 嚴重限制了其在氧還原催化劑方面的應用。因此，尋找催化高效、成本低廉、可持續利用的 氧還原催化劑成為微生物燃料電池研究的關鍵領域之一。
[0004] 隨著人們生活水平的提高，城市污水處理廠的數量和處理能力也有了長足的發 展，隨之而來的是大量有待處理的污泥廢棄物。近年來對于污泥處理處置的新方法也在不 斷的探索之中。將廢棄的污泥轉化為具有高附加值的工業產品無疑是一種環境友好的資源 化利用途徑。
【發明內容】
[0005] 本發明針對現有技術的不足，首要目的是提供一種氮磷雙摻雜的碳材料的制備方 法。
[0006] 本發明的第二個目的在于提供一種電池陰極的制備方法。
[0007] 為達到上述目的，本發明的解決方案是：
[0008] -種氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法，包括如下步驟：
[0009] (1)、將富磷污泥制成富磷污泥粉末；
[0010] ⑵、煅燒富磷污泥粉末，得到初步的碳材料；
[0011] (3)、將初步的碳材料用濃鹽酸浸泡，之后超聲，洗滌、離心并干燥后得到氮磷雙摻 雜的碳材料。
[0012] 優選地，富磷污泥來自污水處理廠的生物除磷強化處理池，其中氮為4~9wt%，磷 為5 ~10wt%。
[0013] 優選地，煅燒的溫度為400~800°C，煅燒的時間為1~4h。
[0014] 優選地，濃鹽酸的濃度為10~12mo 1 /L，浸泡的時間為1~3h。
[0015] 優選地，超聲的時間為3~5h。
[0016] 優選地，離心的轉速為3000~5000r/min，離心的時間為3~8min。
[0017] 優選地，干燥的溫度為50~80°C，干燥的時間為12~24h。
[0018] -種氮磷雙摻雜的碳材料，由上述制備方法制成。
[0019] -種電池陰極，包括:氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑。
[0020] -種上述的電池陰極的制備方法，包括如下步驟：
[0021] (1)、將氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑按比例混合，得到混合物；
[0022 ] (2 )、然后向混合物中加入溶劑，混合、超聲得到陰極催化劑溶液；
[0023] (3)、將陰極催化劑溶液涂覆在導電基底上，自然風干后得到電池陰極。
[0024] 優選地，氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑的質量比為10:15: 32~10:48: 98 〇
[0025] 優選地，導電材料為炭黑、活性炭或石墨。
[0026]優選地，粘結劑為聚四氟乙烯（PTFE)和5wt %全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物 (Naf i on)溶液中的一種。
[0027]優選地，溶劑為異丙醇。
[0028] 優選地，超聲的時間為20~40min。
[0029] 優選地，導電基底為碳纖維布或者碳紙。
[0030] 優選地，自然風干時間為18~36h。
[0031] -種上述的氮磷雙摻雜的碳材料在制備微生物電池陰極中的應用。
[0032] 由于采用上述方案，本發明的有益效果是：
[0033]首先，本發明的方法所使用的富磷污泥來自于污水處理廠的生物除磷強化處理 池;本發明能夠將廢棄的富磷污泥轉化為具有附加值的產品，進行資源化利用。
[0034]其次，本發明使用氮磷雙摻雜的碳材料代替了常規的Pt/C催化材料，成本低廉，催 化活性高和穩定性強。
[0035]最后，本發明制備的氮磷雙雜的碳材料反應時間較短，工藝簡單，從而達到了縮短 生產周期的目的。
【附圖說明】
[0036]圖1為氮磷雙摻雜的碳材料的SEM形貌圖。
[0037]圖2為空氣陰極單室MFCs的結構示意圖。
[0038]圖3為空氣陰極雙室MFCs的結構示意圖。
[0039]附圖標記：
[0040] 空氣陰極單室MFCs進口 1、空氣陰極單室MFCs出口 2、空氣陰極單室MFCs陽極3、空 氣陰極單室MFCs陰極4、空氣陰極單室MFCs外電路5、空氣陰極雙室MFCs進口 6、空氣陰極雙 室MFCs出口 7、空氣陰極雙室MFCs陰極室8、空氣陰極雙室MFCs陰極9、空氣陰極雙室MFCs外 電路10、空氣陰極雙室MFCs陽極室11和質子交換膜12。
【具體實施方式】
[0041]本發明提供了一種利用富磷污泥制備氮磷雙摻雜的碳材料的方法及其應用。
[0042]〈氮磷雙摻雜的碳材料〉
[0043] 一種氮磷雙摻雜的碳材料，該氮磷雙摻雜的碳材料的SEM形貌圖如圖1所示。
[0044] 碳材料中用氮元素、磷元素進行雙摻雜的原因如下：
[0045] 第一、氮元素在周期表中與碳元素相鄰，與碳元素的半徑相當，因此氮元素的摻雜 可使碳材料的晶格發生盡可能小的畸變；同時，氮原子上帶有的孤對電子可以使碳材料的 電荷密度增加，從而增大導電性能。
[0046] 第二、磷元素的摻雜可引起碳材料的缺陷位，使得其在電化學或電催化反應中活 性增加。
[0047]〈氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法〉
[0048]氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0049] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥烘干，研磨、過篩，制成 富磷污泥粉末；
[0050] (2)、富磷污泥粉末在一定溫度下煅燒反應一段時間，得到初步的碳材料；
[0051] (3)、將初步的碳材料用濃鹽酸浸泡，之后超聲，洗滌、離心，干燥后得到氮磷雙摻 雜的碳材料。
[0052] 其中，在步驟(1)中，富磷污泥里氮可以為4~9wt%，磷可以為5~10wt%。
[0053]在步驟(1)中，過篩時，篩子的目數為200目。
[0054] 在步驟(2)中，煅燒的溫度可以為400~800°C，優選為800°C。
[0055] 在步驟(2)中，煅燒的時間可以為1~4h，優選為2h。
[0056] 煅燒的目的是:使富磷污泥粉末材料實現碳化和在高溫時石墨化；同時除去富磷 污泥粉末附帶的雜質，如失去結晶水或揮發性組分，得到較純的初步的碳材料。
[0057] 在步驟(3)中，濃鹽酸的濃度可以為10~12mol/L，優選為10mol/L。
[0058] 在步驟(3)中，濃鹽酸浸泡的時間可以為1~3h，優選為1 h。
[0059] 濃鹽酸浸泡的目的是:使初步的碳材料實現部分質子化，同時增大未被質子化的 碳材料的比表面積。
[0060] 濃鹽酸的除去過程是：用濃鹽酸浸泡過的碳材料在超聲之后，通過蒸餾水洗滌、離 心去除濃鹽酸。
[0061 ] 在步驟(3)中，超聲的時間可以為3~5h，優選為5h。
[0062]超聲過程包括如下步驟:把用濃鹽酸浸泡的碳材料放在超聲儀中，利用超聲波的 空化作用對碳材料和雜質作用，使部分質子化的材料剝離，進一步增大未被質子化的碳材 料的比表面積;同時去除雜質。
[0063] 在步驟（3)中，用蒸餾水洗滌、離心，離心轉速為3000~5000r/min，時間為3~ 8min;洗滌次數為3~6次，離心轉速優選為4500r/min，時間為5min，洗滌次數為5次。
[0064] 在步驟(3)中，干燥的溫度可以為50~80°C，優選為60°C。
[0065] 在步驟(3)中，干燥的時間可以為12~24h，優選為24h。
[0066]〈氮磷雙摻雜的碳材料的應用〉
[0067]上述的氮磷雙摻雜的碳材料可以用于制備微生物電池陰極。
[0068]〈電池陰極〉
[0069] -種電池陰極包含上述的氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑。
[0070] 〈電池陰極的制備方法〉
[0071 ] -種電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0072] (1)、將氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑按比例混合，得到混合物；
[0073 ] (2 )、然后向混合物中加入溶劑，混合、超聲得到陰極催化劑溶液；
[0074] (3)、將陰極催化劑溶液涂覆在導電基底上，自然風干后得到電池陰極。
[0075] 其中，在步驟(1)中，氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑的質量比可以為10 : 15:32~10:48:98。
[0076] 在步驟(1)中，導電材料可以為炭黑、活性炭或石墨。
[0077]在步驟（1)中，粘結劑可以為聚四氟乙烯(PTFE)和5wt%全氟磺酸-聚四氟乙烯共 聚物(Naf i on)溶液中的一種。
[0078]粘結劑的作用是:使氮磷雙摻雜的碳材料更好地與導電基底結合。
[0079]在步驟(2)中，溶劑為異丙醇。
[0080] 異丙醇的作用是:可以使上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑的混合物 更好地混合，分散。
[0081] 另外異丙醇本身可以揮發，不需要特別去除。
[0082] 在步驟(2)中，超聲的時間可以為20~40min，優選為30min。
[0083]在步驟(3)中，導電基底可以為碳纖維布或者碳紙。
[0084] 在步驟(3)中，自然風干時間可以為18~36h，優選為24h。
[0085]以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。
[0086] 實施例1:
[0087] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0088] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0089] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt%，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末；
[0090] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0091] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0092] 其中，步驟（1)中富磷污泥的氮在4~9wt %之內均可以，磷在5~10wt%是可以的， 鼓風箱的溫度在80~105°C之內也是可以的。
[0093]步驟(2)中煅燒的溫度在400~800°C之內，煅燒的時間在1~4h之內都是可以的。 [0094] 步驟(3)中濃鹽酸的濃度在10~12mo VL之內均可以，超聲的時間在3~5h之內也 是可以的。
[0095]第二步：電池陰極的制備方法
[0096]本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0097] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0098] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0099] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0100]其中，在步驟（1)中，氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯(PTFE)的質量 比在10:15:32~10:48:98之內是可以的。
[0101] 在步驟(1)中，導電材料可以為炭黑、活性炭和石墨中的一種。
[0102] 在步驟（1)中，粘結劑可以為聚四氟乙烯(PTFE)和5wt%全氟磺酸-聚四氟乙烯共 聚物(Naf i on)溶液中的一種。
[0103] 在步驟(2)中，超聲的時間在20~40min之內也是可以的。
[0104] 在步驟(3)中，自然風干的時間在18~36h之內是可以的。
[0105] 在步驟(3)中，導電基底可以為碳纖維布和碳紙中的一種。
[0106] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0107] 實施例2:
[0108] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0109] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0110] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末；
[0111] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在600°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0112] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0113]第二步:電池陰極的制備方法
[0114]本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0115] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0116] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0117] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0118] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0119] 實施例3:
[0120] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0121] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0122] (1)、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末；
[0123] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在700°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0124] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0125] 第二步:電池陰極的制備方法
[0126] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0127] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0128] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0129] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0130] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0131] 實施例4:
[0132] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0133] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0134] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末；
[0135] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在400°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0136] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0137] 第二步:電池陰極的制備方法
[0138] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0139] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0140] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0141] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0142] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0143] 實施例5:
[0144] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0145] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0146] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末；
[0147] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應lh，得到初步的 碳材料；
[0148] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0149] 第二步:電池陰極的制備方法
[0150] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0151] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0152] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0153] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0154] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0155] 實施例6:
[0156] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0157] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0158] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末； [0159] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應3h，得到初步的 碳材料；
[0160] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0161] 第二步:電池陰極的制備方法
[0162] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0163] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0164] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0165] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0166] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0167] 實施例7:
[0168] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0169] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0170] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末； [0171] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應4h，得到初步的 碳材料；
[0172] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0173]第二步:電池陰極的制備方法
[0174] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0175] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0176] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0177] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0178] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0179] 實施例8:
[0180] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0181] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0182] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt%，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末； [0183] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0184] (3)、然后將初步的碳材料放入12mol/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0185] 第二步:電池陰極的制備方法
[0186] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0187] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0188] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0189] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0190] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0191] 實施例9:
[0192] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0193] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0194] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末；
[0195] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0196] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲4h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0197] 第二步:電池陰極的制備方法
[0198] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0199] (1)、將質量比為10: 32:64的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0200] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0201] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0202] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0203] 實施例10:
[0204] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0205] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0206] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末； [0207] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0208] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0209] 第二步:電池陰極的制備方法
[0210] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0211] (1)、將質量比為10:16: 34的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0212] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0213] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0214] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/c電池陰極。
[0215] 實施例11:
[0216] 第一步:氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法
[0217] 本實施例的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法包括如下步驟：
[0218] (1 )、將來自污水處理廠的生物除磷強化處理池的富磷污泥，其中氮為6wt %，磷為 8wt%，在105°C的鼓風箱內烘干，置于研缽中研磨并過入200目的篩子，得到富磷污泥粉末； [0219] (2)、將過篩后的富磷污泥粉末置于管式爐中，在800°C下煅燒反應2h，得到初步的 碳材料；
[0220] (3)、然后將初步的碳材料放入10m〇l/L的濃鹽酸中浸泡lh，進行超聲5h，超聲后反 復用超純水洗滌5次，在轉速為4500r/min的離心機中離心5min至中性，隨后放入溫度為60 °C的真空干燥箱內干燥24h，最終形成氮磷雙摻雜的碳材料。
[0221] 第二步:電池陰極的制備方法
[0222] 本實施例的電池陰極的制備方法包括如下步驟：
[0223] (1)、將質量比為10:47:95的上述氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和聚四氟乙烯 (PTFE)充分混合，得到混合物；
[0224] (2)、然后向上述混合物中加入異丙醇，混合均勻并超聲30min得到陰極催化劑溶 液；
[0225] (3)、將上述分散均勻的陰極催化劑溶液涂覆在碳纖維布上，自然風干24h，即可制 得氮磷雙摻雜的碳材料的電池陰極。
[0226] 按照上述電池陰極的制備方法，將常規Pt/C催化劑、導電材料和粘結劑混合可制 得Pt/C電池陰極。
[0227] 〈實驗〉
[0228] 以上述實施例的產品為材料進行如下實驗：
[0229] 本實驗是為了驗證在微生物燃料電池中，氮磷雙摻雜的碳材料作為電池陰極具有 較高的催化活性和較高的穩定性。
[0230] 微生物燃料電池(MFCs)的產電過程如下：由進樣口將基質溶液和少量產電微生物 (主要包括泥細菌、希瓦氏菌、紅螺菌等)加入到陽極室，在厭氧條件下產電微生物氧化有機 燃料乙酸鈉產生質子、電子以及二氧化碳。電子經外電路轉移到陰極，質子經有電解液擴散 至陰極。陰極發生的反應如下：
[0231] 〇2+2H20+4e--40H-
[0232] OH-+H+-H20
[0233] 實驗 1
[0234] 本實驗涉及的陰極單室微生物燃料電池(MFCs)包括:空氣陰極單室MFCs進口 1、空 氣陰極單室MFCs出口 2、空氣陰極單室MFCs陽極3、空氣陰極單室MFCs陰極4和空氣陰極單室 MFCs外電路5。
[0235] 其中，空氣陰極單室MFCs陽極3為石墨纖維刷；空氣陰極單室MFCs外電路5為1000 歐姆電阻；陰極單室MFCs基質溶液由以下物質組成:PH為7.0的0.05mol/L磷酸鹽緩沖溶液、 〇. 31g/L的氯化銨溶液、0.13g/L的氯化鉀溶液、12.25mL的微量元素溶液、12.5mL的維生素 溶液以及1 g/L的乙酸鈉溶液作為燃料。
[0236] 單室微生物燃料電池(MFCs)的性能測試如下：
[0237] 單室微生物燃料電池(MFCs)的結構如圖2所示。單室微生物燃料電池(MFCs)的性 能測試包括如下步驟:將15mL的產電微生物菌液從空氣陰極單室MFCs進口 1加入單室MFCs 中，分別以上述實施例制備的氮磷雙摻雜的碳材料催化電極和Pt/C催化電極作為燃料電池 的陰極;將燃料電池接入1000歐姆的空氣陰極單室MFCs外電路5，開始記錄產電過程，待最 高電壓輸出穩定之后進行燃料電池的性能測試。不同催化電極單室微生物燃料電池的性能 值如表1所示：
[0238] 按照上述方法，對實施例1至實施例11的材料分別進行實驗，得到了不同催化電極 的性能值。
[0239] 表1不同催化電極單室微生物燃料電池性能值
[0240]
[0241] 由表1可以看出，與常規Pt/C催化電池陰極相比，氮磷雙摻雜的碳材料電池陰極在 單室微生物燃料電池里具有更高的催化活性和穩定性。
[0242] 實驗 2
[0243] 本實驗涉及的陰極雙室微生物燃料電池(MFCs)包括:空氣陰極雙室MFCs進口 6、空 氣陰極雙室MFCs出口 7、空氣陰極雙室MFCs陰極室8、空氣陰極雙室MFCs陰極9、空氣陰極雙 室MFCs外電路10、空氣陰極雙室MFCs陽極室11和質子交換膜12。
[0244]其中，空氣陰極雙室MFCs陽極為石墨纖維刷;質子交換膜12為全氟磺酸-聚四氟乙 烯共聚物(Nafion)117陽離子交換膜;空氣陰極雙室MFCs外電路10為1000歐姆電阻；空氣陰 極雙室MFCs陰極9為lmo 1/L的氯化鉀溶液；陽極雙室MFCs基質溶液由以下物質組成:PH為 7.0的0.05mol/L磷酸鹽緩沖溶液、0.31g/L的氯化銨溶液、0.13g/L的氯化鉀溶液、12.25mL 的微量元素溶液、12.5mL的維生素溶液以及lg/L的乙酸鈉溶液作為燃料。
[0245] 雙室微生物燃料電池 (MFCs)的性能測試如下：
[0246] 雙室微生物燃料電池 (MFCs)的結構如圖3所示。雙室微生物燃料電池(MFCs)的性 能測試包括如下步驟:將15mL產電微生物菌液從空氣陰極雙室MFCs進口 6加入雙室MFCs中， 以上述實施例1制備的氮磷雙摻雜的碳材料催化電極和Pt/C催化電極作為燃料電池的陰 極;將燃料電池接入1000歐姆的空氣陰極雙室MFCs外電路10，開始記錄產電過程，待最高電 壓輸出穩定之后進行燃料電池的性能測試。不同催化電極雙室微生物燃料電池的性能值如 表2所示：
[0247] 表2不同催化電極雙室微生物燃料電池性能值
[0248]
[0249] 由表2可以看出，與常規Pt/C催化電池陰極相比，氮磷雙摻雜的碳材料電池陰極在 雙室微生物燃料電池里同樣具有更高的催化活性和穩定性。
[0250] 上述對實施例的描述是為了便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用本發 明。熟悉本領域技術人員顯然可以容易的對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一 般原理應用到其他實施例中，而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例。 本領域技術人員根據本發明的原理，不脫離本發明的范疇所做出的改進和修改都應該在本 發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法，其特征在于:包括如下步驟： (1 )、將富磷污泥制成富磷污泥粉末； (2 )、煅燒所述富磷污泥粉末，得到初步的碳材料； (3)、將所述初步的碳材料用濃鹽酸浸泡，之后超聲，洗滌、離心并干燥后得到所述氮磷 雙摻雜的碳材料。2. 根據權利要求1所述的氮磷雙摻雜的碳材料的制備方法，其特征在于:所述富磷污泥 來自污水處理廠的生物除磷強化處理池，其中氮為4~9wt%，磷為5~10wt% ; 或所述煅燒的溫度為400~800 °C，煅燒的時間為1~4h; 或所述濃鹽酸的濃度為10~12mo 1 /L，浸泡的時間為1~3h; 或所述超聲的時間為3~5h; 或所述離心轉速為3000~5000r/min，離心的時間為3~8min; 或所述干燥的溫度為50~80 °C，干燥的時間為12~24h。3. -種氮磷雙摻雜的碳材料，其特征在于：由如權利要求1或2的制備方法制成。4. 一種電池陰極，其特征在于:包括:氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑； 所述的氮磷雙摻雜的碳材料為權利要求3所述的氮磷雙摻雜的碳材料。5. -種如權利要求4所述的電池陰極的制備方法，其特征在于:包括如下步驟： (1 )、將氮磷雙摻雜的碳材料、導電材料和粘結劑按比例混合，得到混合物； (2 )、然后向所述混合物中加入溶劑，混合、超聲得到陰極催化劑溶液； (3)、將所述陰極催化劑溶液涂覆在導電基底上，自然風干后得到所述電池陰極； 所述的氮磷雙摻雜的碳材料為權利要求3所述的氮磷雙摻雜的碳材料。6. 根據權利要求5所述的電池陰極的制備方法，其特征在于:所述的氮磷雙摻雜的碳材 料、所述的導電材料和所述的粘結劑的質量比為10:15:32~10:48:98; 或所述的導電材料為炭黑、活性炭或石墨； 或所述的粘結劑為聚四氟乙稀(PTFE)和5wt%全氟磺酸-聚四氟乙稀共聚物(Nafion) 溶液中的一種； 或所述溶劑為異丙醇； 或所述超聲的時間為20~40min; 或所述導電基底為碳纖維布或者碳紙； 或所述自然風干時間為18~36h。7. -種如權利要求3所述的氮磷雙摻雜的碳材料在制備微生物電池陰極中的應用。
【文檔編號】H01M8/16GK106025296SQ201610597201
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月27日
【發明人】馮雷雨, 曹越, 陳旭濤, 陳韻致, 陳建光
【申請人】同濟大學