一種基于蜘蛛絲的多孔活性碳纖維材料及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種基于蜘蛛絲的多孔活性碳纖維材料及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維是指含碳量大于90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的新型非金屬纖維材料，是一種性質(zhì)優(yōu)良的功能材料和結(jié)構(gòu)材料。它具有強(qiáng)度高、密度低、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)；除此之外，它還具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等特性，在航空航天、國(guó)防工業(yè)、石油化工、醫(yī)療、建筑及電器等諸多領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，碳纖維材料的制備方法包括靜電紡織法、熱解碳化法等。前者是利用液態(tài)流體表面累積靜電荷之間的排斥力與高壓靜電場(chǎng)的拉伸力相互作用而制備納米尺寸長(zhǎng)絲;后者主要是利用高溫將原本呈絲狀的前驅(qū)體在絕氧環(huán)境下碳化為納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制備得到納米碳纖維材料。但是，這些方法制備碳纖維需要較昂貴的儀器設(shè)備和復(fù)雜的化學(xué)合成過(guò)程。
[0003]蜘蛛絲是一種由多種氨基酸構(gòu)成的絲狀天然蛋白纖維，具有強(qiáng)度高、粘附性及韌性強(qiáng)等特點(diǎn)，是自然界頗具應(yīng)用潛力的生物材料。但是，跟大規(guī)模利用的蠶絲相比，目前蜘蛛絲還不能被充分利用。蜘蛛絲未能在實(shí)際應(yīng)用方面取得突破，其主要原因是人們對(duì)蜘蛛絲結(jié)構(gòu)及性能的特點(diǎn)仍未完全掌握。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明從高效合理利用廢棄生物質(zhì)資源為切入點(diǎn)，以普遍存在的蛛網(wǎng)為原料，將其經(jīng)碳化處理制得多孔活性碳纖維材料，并應(yīng)用于微生物燃料電池陰極催化劑及陰極電極材料，為其資源化利用提供一種新的有效途徑，同時(shí)也為生物質(zhì)材料資源化利用提供一個(gè)參考。
[0005]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
一種多孔活性碳纖維，其制備方法包括下列步驟:
I)收集環(huán)境中的蜘蛛網(wǎng)，去除其中的雜質(zhì)；
2 )依次用去離子水、鹽酸、乙醇超聲清洗20?40min，再用超純水清洗干凈，干燥；
3)將干燥蛛網(wǎng)200?400°C預(yù)碳化，待其自然冷卻至室溫后與活化試劑混合，研磨混勻，再經(jīng)700?1000 0C碳化，得到多孔活性碳纖維。
[0006]優(yōu)選的，所述蛛網(wǎng)為室內(nèi)空間角落清潔網(wǎng)狀或絲狀結(jié)構(gòu)蛛網(wǎng)。
[0007]優(yōu)選的，步驟2)中鹽酸濃度為1.0?2.0mol/L，超聲清洗時(shí)間為25?30min。
[0008]優(yōu)選的，步驟2)中干燥溫度為60?80°C，且干燥至蛛網(wǎng)水分含量低于5%。
[0009]優(yōu)選的，步驟3)中，在惰性氣體的保護(hù)下，對(duì)干燥蛛網(wǎng)250?300°C預(yù)碳化I?2h。
[0010]優(yōu)選的，步驟3)中，在惰性氣體的保護(hù)下，預(yù)碳化獲得的碳化蛛網(wǎng)與活化試劑混合，研磨混勻，再經(jīng)800?900 0C碳化I?2h。
[0011]優(yōu)選的，步驟3)中活化試劑為FeCl3或ZnCl2,其用量為預(yù)碳化獲得的碳化蛛網(wǎng)質(zhì)量的I?5倍。
[0012]優(yōu)選的，步驟3)中活化試劑的加入量為預(yù)碳化獲得的碳化蛛網(wǎng)質(zhì)量的2.4?3.6倍。
[0013]—種微生物燃料電池陰極氧還原催化劑材料，所述陰極氧還原催化劑材料為上述任一項(xiàng)所述的多孔活性碳纖維。
[0014]多孔活性碳纖維作為微生物燃料電池陰極氧還原催化劑材料的應(yīng)用，其中多孔活性碳纖維如上述任一項(xiàng)所述。
[0015]多孔活性碳纖維作為微生物燃料電池陰極電極材料的應(yīng)用，其中多孔活性碳纖維如上述任一項(xiàng)所述。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明制備的多孔活性碳纖維材料可作為微生物燃料電池陰極催化劑及電極材料，它以室內(nèi)空間環(huán)境中的蜘蛛網(wǎng)為原料，其成本低廉、方法簡(jiǎn)單，且性能穩(wěn)定、活性良好，為自然廢棄物資源化利用提供了新的思路。
[0017]本發(fā)明制備的多孔活性碳纖維可用于微生物燃料電池的陰極氧還原催化劑和陰極電極材料，其氧還原催化活性接近于鉑，且穩(wěn)定性及耐甲醇性有所提高;與傳統(tǒng)石墨電極相比較，以碳化蛛網(wǎng)為陽(yáng)極的微生物燃料電池最大功率密度可提高2倍左右。
【附圖說(shuō)明】
[0018 ]圖1為實(shí)施例1制備的多孔活性碳纖維材料的掃描電子顯微鏡；
圖2為實(shí)施例2制備的多孔活性碳纖維材料的掃描電子顯微鏡；
圖3為多孔活性碳纖維材料在堿性環(huán)境中不同轉(zhuǎn)速條件下旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極線(xiàn)性伏安掃描曲線(xiàn)；
圖4為幾種不同陽(yáng)極材料條件下微生物燃料電池功率密度隨電流密度的變化曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但并不局限于此。
[0020]實(shí)施例1
一種多孔活性碳纖維材料，其制備方法包括以下步驟:
1)收集室內(nèi)清潔蛛網(wǎng)，去除大顆粒固體及灰塵等雜質(zhì)；
2)依次使用去離子水、1.0mol/L鹽酸、無(wú)水乙醇超聲清洗25min，然后再用超純水清洗三遍，60 0C烘干至水分含量低于5%;
3)將干燥蛛網(wǎng)在250°C條件下低溫預(yù)碳化處理lh，再經(jīng)900°C高溫碳化處理Ih制得多孔活性碳纖維。
[0021]本實(shí)施例制備的多孔活性碳纖維掃描電子顯微鏡(SEM)如圖1所示。電鏡圖顯示，經(jīng)高溫碳化以后，完整的蜘蛛絲纖維結(jié)構(gòu)得到保留，所獲碳纖維的直徑約為100?200 nm。
[0022]
實(shí)施例2
一種多孔活性碳纖維材料，其制備方法包括以下步驟:
1)收集室內(nèi)清潔蛛網(wǎng)，去除大顆粒固體及灰塵等雜質(zhì)；
2)依次使用去離子水、2.0mol/L鹽酸、無(wú)水乙醇超聲清洗30min，然后再用超純水清洗三遍，60 °C烘干至水分含量低于5%;
3)將干燥蛛網(wǎng)在250°C條件下低溫預(yù)碳化處理2h，待其自然冷卻至室溫后，與3倍質(zhì)量的FeCl3或ZnCl2混合，并研磨混勻，再經(jīng)900°C高溫碳化處理2h制得多孔活性碳纖維。
[0023]本實(shí)施例制備的多孔活性碳纖維掃描電子顯微鏡如圖2所示。電鏡圖顯示，高溫活化處理沒(méi)有破壞碳纖維的結(jié)果，但是活化處理使碳纖維上新形成了許多微孔。大量微孔的生成，可以顯著增加碳纖維的比表面積，從而有益于其催化活性。
[0024]
實(shí)施例3
一種微生物燃料電池陰極氧還原反應(yīng)催化劑及其催化活性研究，包