一种缺陷态三氧化钨修饰的碳布二维电极的制备及其应用

技术领域

本发明属于微生物燃料电池阳极材料技术领域；具体涉及一种缺陷态三氧化钨(WO

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用电活性微生物为催化剂催化电极表面的氧化还原反应来进行废水处理和电流产生的新兴技术。MFC的阳极是影响其性能的重要因素之一，阳极的产电菌的附着能力，导电性、化学稳定性等对微生物的附着及细胞外电子转移效率都有很大的影响，从而影响MFC的性能。因此，开发理想的电极材料是提高电化学系统效能的关键因素。

在MFC的阳极研究领域中，传统的碳材料因其具有导电性和良好的生物相容性而被广泛用作电极材料。然而，传统的碳电极由于比表面积低、亲水性弱等，限制了其在MFC中的进一步应用。因此各种利用金属原子、金属氧化物等修饰传统碳电极来提高传统碳电极的电化学性能成为一种新的提高微生物燃料电池性能的办法。所以目前寻找一种金属原子或金属氧化物修饰碳布电极并使其电化学性能得到提高引起了人们的广泛关注。

近年来，研究人员发现纳米钨基材料，如氧化钨、氮化钨、碳化钨等在光催化、电催化领域逐渐受到关注。其所表现出的高导电性、良好的耐腐蚀性和电化学活性与MFC阳极材料所需性能相符。并且经研究人员研究发现在金属氧化物修饰的电极材料中引入氧空位可以有效的降低其电极材料的电阻，这可以有效的提高电荷传递效率，金属氧化物修饰碳布也可以提高碳布电极材料的亲水性，所以经过这样的改性可以提高产电微生物在电极材料上的富集和电极材料的电化学性能。并且，目前关于以磁控溅射方式制备缺陷态三氧化钨(WO

发明内容

本发明旨在解决目前微生物燃料电池传统碳布阳极上产电菌的附着不充分、电化学性能不好、功率较低等问题，并且提供了通过磁控溅射方式制备WO

为了解决传统碳布阳极构建的微生物燃料电池产电菌的附着不充分、电化学性能不好、功率较低等问题，本发明通过磁控溅射将WO

步骤一、将碳布通过去离子水和乙醇清洗，用来去除碳布表面的杂质，并且将碳布剪裁成3×3cm

步骤二、将步骤一获得的碳布置于磁控溅射系统中，磁控溅射的靶材是99.9％的WO

步骤三、将步骤二中得到的WO

步骤一所述碳布分别用去离子水和乙醇溶液重复清洗三次，将杂质完全清洗干净；

步骤一所述的干燥条件为：真空干燥箱温度为50～70℃，更优选为60℃；时间为9～14h，优选为12h；

步骤二磁控溅射的升温速率为5～10℃/min；

步骤二磁控溅射中衬底的温度为300～500℃；

步骤二磁控溅射的溅射时间为5～10min；

步骤二磁控溅射的溅射功率密度和溅射工作压强分别为4W/cm

步骤三小正方形尺寸为1×1cm

上述方法制备的WO

本实验将PBS、乙酸钠、微生素溶液和微量元素溶液组成的阳极液通入阳极室，并接种啤酒厂污水污泥作为混合微生物来源；将由氯化钾和铁氰化钾配置的阴极液通入阴极室，通过外加电阻将阴极和阳极连接在一起；完成构建得微生物燃料电池；组装好的电池连接数据采集器，每600s记录一次电压。

其中，所述碳刷前处理的步骤如下：将碳刷的碳布纤维用丙酮浸泡30min，取出后放入管式炉中，在250℃～450℃下煅烧25min～40min，自然冷却至室温，完成碳刷的前处理；

进一步地限定，所述Nafion膜前处理的步骤如下：将Nafion膜浸泡于3％H

进一步地限定，上述阳极液的配置方法如下：向50mg～85mg无水乙酸钠中，加入35mL～70mL PBS溶液，再加入100μL～500μL维生素溶液和500μL～650μL微量元素溶液，充分溶解。

进一步地限定，所述阴极液的配置方法如下：将200mg～300mg氯化钾和800mg～1000mg铁氰化钾混合后，加入50mL～60mL的蒸馏水，充分溶解。

本发明所具有的优点和效果：

本发明中通过一步磁控溅射的办法将缺陷态金属氧化物溅射到碳布上作为MFC阳极电极材料，制备工艺简单，电极表面具有一层缺陷态金属氧化物薄膜结构，导电性能好，生物相容性好，电池功率密度更高，材料来源广泛并且成本低，可实现电极材料的绿色可持续发展。

本发明制备的WO

本发明制备的WO

附图说明：

图1为磁控溅射方法制备出WO

图2为制备出的WO

图3为覆膜后WO

图4为WO

图5为覆膜后WO

图6为覆膜后的普通碳布MFC阳极(左边)和WO

具体实施方式

实施1：

步骤一、将碳布裁剪成3×3cm

步骤二、将步骤一获得的碳布置于磁控溅射系统中，在氩气气氛的保护下进行两面磁控溅射，磁控溅射的升温速率、衬底温度和压强分别为5℃/min、400℃和1Pa，在碳布的两个表面均形成一层WO

步骤三、将步骤二中得到的WO

实施2：

采用实施例1所述制备方法制得的WO

一、所需材料预处理：

碳刷的前处理：把碳刷的碳布纤维侧朝下装入500mL的烧杯中，然后加入450mL的丙酮，浸泡30min后，取出晾干后放入管式炉中，在350℃下煅烧30min，自然冷却至室温后取出放在500mL烧杯中，用封口膜封好，备用。

Nafion膜的前处理方法：将10×10cm

本实施例所构建的为双室微生物燃料电池，中间由前处理后的Nafion膜隔开，以60mL的双耳式玻璃瓶为反应器，采用实施例1所述制备方法制得的WO

所述阳极液配方：精密称量80mg无水乙酸钠(CH

所述阴极液配方：精密称量223.5mg氯化钾(KCl)和984mg铁氰化钾(K

将所制备的电极材料选取了一小块进行了XPS测试与表征；对制备好的电极材料进行阻抗的对比测试；当MFC输出电压达到稳定状态时，通过改变外部电阻来测量极化曲线和功率输出曲线，并对覆膜以后的材料进行循环伏安法(CV)和差分伏安脉冲法(DPV)测试以及SEM观察。

采用下述试验验证发明效果：

图1为磁控溅射方法制备出WO

图2为制备出的WO

图3为覆膜后WO

图4为WO

图5为覆膜后WO

图6为覆膜后的普通碳布MFC阳极和WO