Se復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及新能源和新材料應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種多壁碳納米管負(fù)載Ni0.85Se的制備方法及其作為微生物燃料電池陰極催化劑的應(yīng)用。所述Ni0.85Se/MWCNT納米復(fù)合材料為納米Ni0.85Se和MWCNT的復(fù)合材料，通過水熱法制備得到的Ni0.85Se/MWCNT納米復(fù)合材料可作為陰極催化劑應(yīng)用在微生物燃料電池中，可以改善其陰極氧還原性能，提高微生物燃料電池的產(chǎn)電能力。所發(fā)明的陰極催化劑具有制備簡單、低成本、高活性的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】-種多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的制備方法及其 應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源新材料應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多壁碳納米管負(fù)載 Nia85Se復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類進(jìn)入21世紀(jì)之后，能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為全球共同面對的課題，可替 代的能源和可再生的能源的研究越來越受到研究者的重視。尋求可替代可再生能源成為了 當(dāng)今的急切的問題。微生物燃料電池是一種可以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換及產(chǎn)能的新概念裝置。它 利用微生物作為催化劑直接從可降解有機(jī)物中提取電能，具有廢棄物處理與產(chǎn)電的雙重功 效，是一種未來的理想產(chǎn)電方式和有機(jī)廢棄物資源化處置工藝。
[0003] 微生物燃料電池中，以氧氣為氧化劑發(fā)生氧還原反應(yīng)的陰極稱為空氣陰極。在空 氣陰極上發(fā)生的氧還原反應(yīng)的速率是影響電池產(chǎn)電多少的關(guān)鍵因素之一，催化劑的應(yīng)用能 夠提高氧還原反應(yīng)的速率，進(jìn)而提高整個(gè)電池的產(chǎn)電性能。目前通常使用鉬等貴金屬作為 催化劑，不過由于鉬價(jià)格昂貴及不可再生，增加了電池運(yùn)行成本，嚴(yán)重影響了其實(shí)際應(yīng)用， 所以需要尋找一種找對氧有良好的催化效果并且價(jià)格低廉的催化材料。
[0004] Nia85Se是一種非整數(shù)比的鎳化硒化合物，最近的研究表明，Nia85Se具有較好的電 催化性能，可用于染料敏化太陽電池。碳納米管是一種納米尺度的具有完整分子結(jié)構(gòu)的一 維量子材料，可以看成是由類石墨的平面圍繞中心軸卷曲而成的無縫中空管，頂端是由碳 五元環(huán)連同六元環(huán)構(gòu)成的管帽。碳納米管具有小的半徑，非常高的比表面積、導(dǎo)電性能和良 好的機(jī)械性能，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明將Ni a85Se負(fù)載在多壁碳納米管（MWCNT) 上，應(yīng)用于微生物燃料電池的陰極催化過程，為尋求低成本、高活性的非貴金屬陰極催化劑 材料提供了理論和實(shí)際支持。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的制備方法及其作 為微生物燃料電池陰極催化劑的應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的制備方法的具體步驟如下：
[0008] 將六水硫酸鎳和五水亞硒酸鈉加入水中，加入水合肼，攪拌至完全溶解，再加入 預(yù)處理的多壁碳納米管，上述反應(yīng)體系中各組分的比例為：每68-74mL水對應(yīng)六水硫酸鎳 200-600mg，五水亞硒酸鈉200-500mg，多壁碳納米管的用量為100-800mg，水合肼體積為 6-12mL，然后充分?jǐn)嚢?-20min，移入高壓反應(yīng)釜中，在120-180°C下反應(yīng)12-48h，得到本發(fā) 明的多壁碳納米管負(fù)載Ni a 85Se復(fù)合材料。
[0009] 多壁碳納米管在使用前進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法如下：
[0010] 將待處理的多壁碳納米管置于體積比為1:1的6mol/L的硝酸和6mol/L的硫酸混 合酸液中，在80°C下回流6小時(shí)，過濾并用去離子水洗滌并干燥，得到預(yù)處理的多壁碳納米 管。
[0011] 優(yōu)選反應(yīng)體系中各組分的比例為：每70-74mL水對應(yīng)六水硫酸鎳300-600mg，五水 亞硒酸鈉300-500mg，多壁碳納米管的用量為500-800mg，水合肼體積為6-10mL，然后充分 攪拌10-20min，移入高壓反應(yīng)釜中，在140-160°C下反應(yīng)12-36h。
[0012] 更優(yōu)選反應(yīng)體系中各組分的比例為：每72mL水對應(yīng)六水硫酸鎳526mg，五水亞硒 酸鈉480mg，多壁碳納米管的用量為520mg，水合肼體積為8mL，然后充分?jǐn)嚢?0min，移入高 壓反應(yīng)釜中，在140°C下反應(yīng)24h。
[0013] 本發(fā)明制備的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料作為微生物燃料電池陰極催化 劑的應(yīng)用。將多壁碳納米管負(fù)載Ni a85Se復(fù)合材料涂覆在電極上，應(yīng)用于微生物燃料電池的 陰極作為催化劑。
[0014] 本發(fā)明所制備的電極復(fù)合材料，可以涂覆在微生物燃料電池的陰極上作為催化 齊IJ，能解決微生物燃料電池中陰極氧還原反應(yīng)困難造成的電池功率密度低的問題，提供了 一種Ni a85Se與多壁碳納米管的納米復(fù)合材料改善微生物燃料電池陰極性能的方法，能顯 著提高電池的產(chǎn)電性能。
[0015] 本發(fā)明所提供的具有良好氧還原性能的NiQ.85Se與多壁碳納米管的納米復(fù)合材 料，其通式為：Ni a85Se/MWCNT，該復(fù)合材料的形貌為不規(guī)則形狀的Nia85Se包覆在多壁碳納 米管上，該材料同時(shí)具有Ni a85Se和多壁碳納米管兩者的性能，作為陰極催化劑應(yīng)用在微生 物燃料電池上表現(xiàn)出了良好的氧還原性能。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] 目前所應(yīng)用的微生物燃料電池的陰極催化劑多數(shù)為貴金屬和氧化物，硒化物作為 陰極催化劑比較少見。本發(fā)明通過水熱法合成多壁碳納米管負(fù)載Ni a85Se復(fù)合材料作為陰 極催化劑，制備方法簡單，易于生產(chǎn)，成本低廉。既利用了 Nia85Se的催化性能，也利用了多 壁碳納米管的高比表面和導(dǎo)電性能，能夠顯著提高微生物燃料電池的產(chǎn)電能力。同時(shí)，通過 調(diào)整Ni a85Se和多壁碳納米管的比例，可以獲得催化性能和產(chǎn)電功率的進(jìn)一步提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是實(shí)施例1制備的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的XRD圖譜。
[0019] 圖2是實(shí)施例1制備的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的不同放大倍數(shù)下的 SEM圖譜。
[0020] 圖3是不同陰極催化劑的循環(huán)伏安曲線圖。
[0021] 圖4是不同陰極催化劑的阻抗測試圖。
[0022] 圖5是不同陰極催化劑的極化曲線與功率密度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面的實(shí)施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 將待處理的多壁碳納米管置于體積比為1:1的6mol/L的硝酸和6mol/L的硫酸混 合酸液中，在80°C下回流6小時(shí)，過濾并用去離子水洗滌并干燥，得到預(yù)處理的多壁碳納米 管；
[0026] 稱取六水硫酸鎳526mg、五水亞硒酸鈉480mg、預(yù)處理后的多壁碳納米管520mg，量 取水合肼8mL，去離子水72mL,放置于燒杯中，充分?jǐn)嚢?0min，再將混合溶液移進(jìn)100mL的 高壓反應(yīng)釜中，置于烘箱中140°C下反應(yīng)24h，自然冷卻。將冷卻后的產(chǎn)物用無水乙醇和去 離子水各洗三遍，最后把樣品放在60°C真空下干燥12小時(shí)，制得Ni a85Se/MWCNT復(fù)合材料。
[0027] 性能試驗(yàn)：對制備的Nia85Se/MWCNT納米復(fù)合材料進(jìn)行了 X射線衍射測試以及場 發(fā)射掃描電子顯微鏡圖，結(jié)果如圖1所示，XRD圖譜顯示出結(jié)晶度較高的Nia85Se圖譜，也顯 示了明顯的多壁碳納米管特征峰。如圖2的SEM電鏡圖顯示，不規(guī)則Ni a85Se包覆在多壁碳 納米管表面。對Nia85Se/MWCNT復(fù)合材料的電化學(xué)性能測試結(jié)果如圖3-5所示。通過循環(huán) 伏安曲線和電化學(xué)阻抗譜可以看出，相對于Ni a85Se和MWCNT兩種單一催化材料，Nia85Se/ MWCNT具有更高的催化活性和更低的內(nèi)阻。從功率密度曲線圖也可以看出，Nia85Se/MWCNT 復(fù)合材料作為陰極催化劑應(yīng)用于微生物燃料電池后，產(chǎn)電性能與分別以Nia 85Se和MWCNT為 單一陰極催化劑的微生物燃料電池相比有顯著提高。
[0028] 實(shí)施例2
[0029] 發(fā)明基于實(shí)施例1的方案，通過調(diào)控Nia85Se和多壁碳納米管的比例，影響，影響了 復(fù)合材料的催化性能，進(jìn)而影響了微生物燃料電池的產(chǎn)電能力，結(jié)果如表1所示。
[0030] 表1不同比例Nia85Se和多壁碳納米管的調(diào)控
[0031]
【權(quán)利要求】
1. 一種多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述方法的具體 步驟如下： 將六水硫酸鎳和五水亞硒酸鈉加入水中，加入水合肼，攪拌至完全溶解，再加入多壁碳 納米管，上述反應(yīng)體系中各組分的比例為：每68-74mL水對應(yīng)六水硫酸鎳200-600mg，五水 亞硒酸鈉200-500mg，多壁碳納米管的用量為100-800mg，水合肼體積為6-12mL，然后充分 攪拌5-20min，移入高壓反應(yīng)釜中，在120-180°C下反應(yīng)12-48h，得到本發(fā)明的多壁碳納米 管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的制備方法，其特征在于： 多壁碳納米管在使用前進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法如下： 將待處理的多壁碳納米管置于體積比為1:1的6mol/L的硝酸和6mol/L的硫酸混合酸 液中，在80°C下回流6小時(shí)，過濾并用去離子水洗滌并干燥，得到預(yù)處理的多壁碳納米管。
3. 如權(quán)利要求1所述的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于：反應(yīng)體系中各組分的比例為：每70-74mL水對應(yīng)六水硫酸鎳300-600mg，五水亞硒酸 鈉300-500mg，多壁碳納米管的用量為500-800mg，水合肼體積為6-10mL，然后充分?jǐn)嚢?10-20min，移入高壓反應(yīng)釜中，在140-160°C下反應(yīng)12-36h。
4. 如權(quán)利要求1所述的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料的制備方法，其特征在于： 反應(yīng)體系中各組分的比例為：每72mL水對應(yīng)六水硫酸鎳526mg，五水亞硒酸鈉480mg，多壁 碳納米管的用量為520mg，水合肼體積為8mL，然后充分?jǐn)嚢?0min，移入高壓反應(yīng)釜中，在 140°C下反應(yīng)24h。
5. 如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法制備的多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料作為 微生物燃料電池陰極催化劑的應(yīng)用。
6. 如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于：將多壁碳納米管負(fù)載Nia85Se復(fù)合材料涂覆 在電極上，應(yīng)用于微生物燃料電池的陰極作為催化劑。
【文檔編號】B82Y30/00GK104269565SQ201410407823
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】李楠, 丁超海, 夏慰妍 申請人:廣州大學(xué)