一种光阴极材料的制备方法及在太阳能辅助微生物电解池中的应用与流程

本发明涉及光阴极材料，尤其涉及一种光阴极材料的制备方法及在太阳能辅助微生物电解池中的应用。

背景技术：

1、随着化石燃料的过度开发和使用，引起严重的能源危机和环境污染，开发绿色清洁能源迫在眉睫。氢能源具有环保无污染、燃烧性能高等优点，是一种理想的清洁能源。目前工业产氢方法主要有甲烷重整产氢、电化学产氢、光催化产氢等方法；而微生物电解池是利用mec反应器的阳极微生物降解有机物，产生氢质子和电子，然后迁移到阴极，在阴极催化剂作用下氢质子和电子结合产生氢气，是一种极具发展前景的产氢技术。

2、mec反应器的阴极材料的电化学性能、析氢反应活化能等性能对mec产氢效率有很大影响。如文献《纳米nio-y复合阴极材料的制备及微生物电解池催化产氢性能》报道了在将纳米y分子筛浸渍镍盐前驱体水溶液并焙烧后制备得到纳米nio-y复合材料，作为mec微生物电解池析氢阴极材料，具有良好的产氢效率，有望替代贵金属材料应用于微生物电解池作为析氢材料；但存在产氢气效率较低的问题。

3、因此有必要探索光阴极材料的制备方法及在太阳能辅助微生物电解池中的应用以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种光阴极材料的制备方法及在太阳能辅助微生物电解池中的应用，旨在制备了碳点负载纳米氧化亚铜作为光阴极和高产氢效率的太阳能辅助微生物电解池的阴极材料，提高太阳能辅助微生物电解池的产氢效率。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种光阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、(1)将葡萄糖、精氨酸和蒸馏水混合，配置成反应溶液；将反应溶液加入到反应釜中进行水热反应；待反应结束后进行冷却，离心分离除去大颗粒杂质，将离心液加入到透析袋中透析，将透析后的溶液冷冻干燥，得到氮掺杂碳量子点；

5、(2)将氯化亚铜溶解到蒸馏水中，加入氢氧化钠，搅拌均匀后加入步骤(1)中的氮掺杂碳量子点，超声分散后加入质量分数为10-24％的水合肼溶液，在45-60℃中反应3-5h，反应结束后过滤溶剂，将沉淀物用蒸馏水洗涤，即获得碳点负载纳米氧化亚铜光阴极材料。

6、优选地，所述步骤(1)中所述葡萄糖和精氨酸的质量比为1:(0.1-0.4)；所述反应溶液中溶质的质量分数为10-18％。

7、优选地，所述步骤(1)中所述水热反应为在170-190℃水热反应2-5h。

8、优选地，所述步骤(2)中所述氯化亚铜、氢氧化钠、氮掺杂碳量子点的质量比为1:(0.8-1.3):(0.2-0.5)。

9、另一方面，本发明提供第二方面所述的光阴极材料的制备方法得到的碳点负载纳米氧化亚铜光阴极材料在太阳能辅助微生物电解池中的应用，用于太阳能辅助微生物电解池的反应器中制氢。

10、优选地，太阳能辅助微生物电解池的反应器制氢方法，包括以下步骤：

11、s1、将所述碳点负载纳米氧化亚铜光阴极材料加入到蒸馏水中进行超声分散，获得分散液；将分散液中滴加nafion溶液，搅拌均匀后获得混合溶液；将混合溶液涂覆在碳布表面，干燥后得到碳点负载纳米氧化亚铜的光阴极碳布；

12、s2、将微生物燃料电池阳极液与营养液加如太阳能辅助微生物电解池的反应器中，反应器的阳极为圆形碳毡，光阴极为碳点负载纳米氧化亚铜的碳布光阴极；直流电源的正极连接太阳能辅助微生物电解池反应器的阳极，负极连接太阳能辅助微生物电解池反应器的碳点负载纳米氧化亚铜的碳布光阴极，以直径0.2-0.3mm的钛丝为导线，控制反应器阳极电位稳定在0.2-0.3v，分别在阳极和阴极的两端用电源外加0.3-0.5v电压进行驯化，直到阴极电势稳定在0.5-0.6v；

13、s3、将秸秆发酵液离心分离，收集上层液的秸秆氢发酵液，然后向太阳能辅助微生物电解池反应器中加入的秸秆氢发酵液，并通氮气排除反应器中的空气，设定反应器运行温度为35-38℃，反应器的光阴极在紫外光照下进行微生物电解池产氢。

14、优选地，步骤s1中，所述营养液含有1-2g/l的氨三乙酸钠盐，1-2g/l的氯化钠、0.5-1g/l的硫酸锰、0.2-0.5g/l的氯化钙、0.4-0.8g/l硫酸镁、0.1-0.2g/l的硫酸锌、0.02-0.04g/l的硫酸铜、0.01-0.02g/l的氯化钾、0.1-0.3g/l的硫酸铁、0.2-0.5g/l的维生素b、0.4-1g/l的对氨基苯甲酸、0.3-0.8g/l的硫辛酸。

15、优选地，所述碳点负载纳米氧化亚铜的光阴极碳布中碳点负载纳米氧化亚铜的负载量为0.2-1mg/cm2。

16、本发明的有益效果在于：

17、本发明以葡萄糖作为碳前驱体，精氨酸作为氮源，水热法合成了氮掺杂碳量子点，然后以水合肼作为还原剂，原位水热法合成了碳点负载纳米氧化亚铜，作为光阴极活性材料。微生物光电化学池是将微生物电解池和光催化结合，对秸秆发酵液进行产氢实验；碳点负载纳米氧化亚铜可以促进光生电子的迁移，抑制光生电子-空穴的复合，从而提高光生电子与氢质子结合生成氢气，提高微生物电解池的产氢效率，最大电流密度达到61.4a/m3，产氢速率最高达到0.0917m3-h2/m3·d。

技术特征：

1.一种光阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种光阴极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中所述葡萄糖和精氨酸的质量比为1:（0.1-0.4）；所述反应溶液中溶质的质量分数为10-18%。

3.如权利要求1所述的一种光阴极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中所述水热反应为在170-190 ℃水热反应2-5 h。

4.如权利要求1所述的一种光阴极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中所述氯化亚铜、氢氧化钠、氮掺杂碳量子点的质量比为1:（0.8-1.3）:（0.2-0.5）。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的光阴极材料的制备方法得到的碳点负载纳米氧化亚铜光阴极材料在太阳能辅助微生物电解池中的应用，用于太阳能辅助微生物电解池的反应器中制氢。

6.如权利要求5所述的光阴极材料的制备方法得到的碳点负载纳米氧化亚铜光阴极材料在太阳能辅助微生物电解池中的应用，其特征在于，太阳能辅助微生物电解池的反应器制氢方法，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的光阴极材料的制备方法得到的碳点负载纳米氧化亚铜光阴极材料在太阳能辅助微生物电解池中的应用，其特征在于，

8.如权利要求6所述的光阴极材料的制备方法得到的碳点负载纳米氧化亚铜光阴极材料在太阳能辅助微生物电解池中的应用，其特征在于，所述碳点负载纳米氧化亚铜的光阴极碳布中碳点负载纳米氧化亚铜的负载量为0.2-1 mg/cm2。

技术总结
本发明公开了一种光阴极材料的制备方法及在太阳能辅助微生物电解池中的应用，制备方法以葡萄糖作为碳前驱体，精氨酸作为氮源，水热法合成了氮掺杂碳量子点，然后以水合肼作为还原剂，原位水热法合成了碳点负载纳米氧化亚铜，作为光阴极活性材料。将微生物光电化学池是将微生物电解池和光催化结合，对秸秆发酵液进行产氢实验。碳点负载纳米氧化亚铜可以促进光生电子的迁移，抑制光生电子‑空穴的复合，从而提高光生电子与氢质子结合生成氢气，提高微生物电解池的产氢效率。

技术研发人员：李鹏,高峰,姜韵昕,周晓喜
受保护的技术使用者：中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15