一种硫化钴镍泡沫镍复合材料及其制备方法和微生物燃料电池

本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种硫化钴镍泡沫镍复合材料及其制备方法和微生物燃料电池。

背景技术：

1、微生物燃料电池(microbial fuel cells，mfcs)是一种创新的能源转换技术，它利用微生物代谢过程中产生的电子来生成电力。这种电池的基本组成部分包括阳极室、质子交换膜和阴极室，其中阳极室中的厌氧微生物充当催化剂，可分解污水中的有机物，在降解污染物的同时产生电能以供利用；其中的质子交换膜是一种选择性渗透膜，允许质子通过，但阻止电子和其他分子通过，以维持电位差；其中的阴极室中，氧化剂(通常是氧气)接收从阳极来的电子，与质子结合形成水，完成电子传递链。因此微生物燃料电池可以同时实现污染物去除和能源回收，具有非常好的社会经济效益。

2、目前，开发高性能的阳极材料，以提高阳极室中微生物的电子传递效率，从而提高输出功率密度，是解决其应用瓶颈问题的重要突破点。

3、理想的阳极材料应该具有良好的生物相容性和足够的三维立体结构，可以定殖更多的微生物，从而提高直接/简接电子传递效率，同时又要具备极佳的导电性，使得所产生的电子能更好的被收集利用，如果还能兼具优异的电催化性能，促进多种机理的电子产生和传递，则可以更大限度的提高mfcs输出功率密度。

4、鉴于此，本申请旨在提供一种硫化钴镍泡沫镍复合材料及其制备方法和微生物燃料电池，以更好地解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种硫化钴镍泡沫镍复合材料及其制备方法和微生物燃料电池，采用硫化钴镍纳米材料修饰泡沫镍作为微生物燃料电池复合阳极，可大大提高微生物燃料电池的输出功率密度，具有良好的应用前景。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：

4、s1.将泡沫镍裁剪后，分别依次浸入在hcl、无水乙醇、蒸馏水中，并分别超声处理，清理完成后，烘干备用；

5、s2.将cocl2·6h2o、nicl2·6h2o和尿素分散在去离子水中，搅拌混合均匀，形成粉红色溶液，随后加入nh4f继续搅拌，得到水热反应溶液；

6、s3.将步骤s1中处理好的泡沫镍加入到步骤s2中的水热反应溶液中，超声处理，去除材料表面气泡，接着加入高压反应釜中，进行水热反应，之后自然冷却至室温后取出，用无水乙醇洗涤处理材料，烘干，最后在空气氛围下热处理，得到的钴酸镍修饰泡沫镍的复合材料；

7、s4.将步骤s3中的钴酸镍修饰泡沫镍的复合材料加入到硫化钠透明溶液中，润湿、超声处理，去除气泡，然后再一并转移至高压反应釜内进行水热反应，将nico2o4/nf通过离子交换作用被硫化水热成nico2s4/nf，反应完成后从反应釜取出，待冷却至室温后，将材料用无水乙醇超声洗涤多次，之后将处理后的材料放入烘箱中烘干，即得到硫化钴镍修饰泡沫镍的复合材料。

8、进一步地，步骤s1中，将泡沫镍裁剪为2cm×3cm规格，浸入的hcl的浓度为3mol/l，超声处理的时间为3-8min。

9、进一步地，步骤s2中，cocl2·6h2o、nicl2·6h2o、尿素和nh4f的摩尔比为1-1.5:0.5-0.8:3.5-4.5：8-12。

10、进一步地，步骤s3中，超声处理的时间为5-8min；水热反应的温度为115-130℃，时间为5-7h。

11、进一步地，步骤s3中，在空气氛围下热处理的温度为340-360℃，处理时间为1.2-2.5h。

12、进一步地，步骤s4中，硫化钠透明溶液为将4.8036g硫化钠溶于100ml去离子水中，超声溶解处理5-8min，形成的透明溶液。

13、进一步地，步骤s4中，超声处理的时间为5-8min；水热反应的温度为175-185℃，时间为11-13h；用无水乙醇每次超声洗涤的时间。

14、基于同一发明构思，本申请还提供一种使用上述的制备方法制备的硫化钴镍泡沫镍复合材料。

15、基于同一发明构思，本申请还提供一种微生物燃料电池，该电池由阳极室、阴极室和阳离子交换膜构成，所述阳离子交换膜用于隔开所述阳极室和所述阴极室，所述阳极室内设有阳极电极、并装有阳极液，所述阴极室内设有阴极电极、并装有阴极液；

16、其中，所述阳极电极为上述的硫化钴镍泡沫镍复合材料；

17、其中，所述阴极电极为碳毡。

18、进一步地，

19、其中，所述阳极液由含有nahco310.0 g·l-1和nah2po4·2h2o 11.2g·l-1的水溶液中，加入10g·l-1葡萄糖、5g·l-1酵母浸膏以及5mmol·l-1的2-羟基-1，4萘醌组成的混合液；

20、其中，所述阴极液为含有nahco310.0 g·l-1、nah2po4·2h2o11.2 g·l-1以及5mm铁氰化钾的混合液。

21、本发明的有益效果如下：

22、1、本发明提供的硫化钴镍泡沫镍复合材料，通过nico2s4纳米材料的修饰，使得复合材料的电化学性能显著提升，表现出对底物葡萄糖良好的电催化性能，在含有底物葡萄糖和电子转移中介体的溶液中，其最大催化氧化峰电流为6.8ma，远远高于空白泡沫镍的0.102ma，且其价格低廉，批量生产容易，因此可大大降低微生物燃料电池的运行成本；

23、2、本发明提供的微生物燃料电池，采用硫化钴镍复合材料作为阳极，通过nico2s4纳米材料的修饰使得复合材料的电化学性能显著提升，通过测试表明，nico2s4纳米材料修饰泡沫镍作为阳极的mfcs平均最大功率密度高达1040.37mw/m2，相比空白泡沫镍mfcs的平均功率密度(564.24mw/m2)提高了84.38％、比nico2o4/nf mfcs的(137.15mw/m2)提高了7.58倍，表明nico2s4/泡沫镍作为阳极所组装的器件具有优异的功率输出，应用前景好。

技术特征：

1.一种硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

2.根据权利要求1所述的硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，将泡沫镍裁剪为2cm×3cm规格，浸入的hcl的浓度为3mol/l，超声处理的时间为3-8min。

3.根据权利要求1所述的硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，cocl2·6h2o、nicl2·6h2o、尿素和nh4f的摩尔比为1-1.5:0.5-0.8:3.5-4.5：8-12。

4.根据权利要求1所述的硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s3中，超声处理的时间为5-8min；水热反应的温度为115-130℃，时间为5-7h。

5.根据权利要求4所述的硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s3中，在空气氛围下热处理的温度为340-360℃，处理时间为1.2-2.5h。

6.根据权利要求1所述的硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，硫化钠透明溶液为将4.8036g硫化钠溶于100ml去离子水中，超声溶解处理5-8min，形成的透明溶液。

7.根据权利要求1所述的硫化钴镍泡沫镍复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，超声处理的时间为5-8min；水热反应的温度为175-185℃，时间为11-13h；用无水乙醇每次超声洗涤的时间。

8.一种使用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备的硫化钴镍泡沫镍复合材料。

9.一种微生物燃料电池，其特征在于，该电池由阳极室、阴极室和阳离子交换膜构成，所述阳离子交换膜用于隔开所述阳极室和所述阴极室，所述阳极室内设有阳极电极、并装有阳极液，所述阴极室内设有阴极电极、并装有阴极液；

10.根据权利要求9所述的微生物燃料电池，其特征在于，

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种硫化钴镍泡沫镍复合材料及其制备方法和微生物燃料电池，本发明提供的制备方法，包括制备步骤：裁切泡沫镍；将泡沫镍在CoCl<subgt;2</subgt;、NiCl<subgt;2</subgt;和尿素溶液中水热反应；进一步在硫化钠水溶液中反应，得到的硫化钴镍泡沫镍复合材料；其工艺简单，制备容易，制备出的硫化钴镍泡沫镍复合材料，通过NiCo<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;纳米材料的修饰，使得复合材料的电化学性能显著提升，将该材料作为燃料电池的阳极，通过NiCo<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;纳米材料的修饰使得复合材料的电化学性能显著提升，NiCo<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;纳米材料修饰泡沫镍作为阳极的MFCs平均最大功率密度高达1040.37mW/m<supgt;2</supgt;，因此NiCo<subgt;2</subgt;S<subgt;4</subgt;/泡沫镍作为阳极所组装的器件具有优异的功率输出，应用前景好。

技术研发人员：陈妹琼,郭文显,张燕,张云,郑锦辉,李霖,李积迁
受保护的技术使用者：东莞职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9