本發明屬于鋰氧電池正極材料，特別涉及基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑及其應用。

背景技術：

1、日益嚴重的環境問題和能源危機促使研究人員探索高效的電化學能量儲存和轉化裝置。二次電池成為解決這些問題的答案之一，如鋰離子電池、鋰硫電池、燃料電池等。其中鋰氧電池因其具有超高的理論容量得到了科研工作者的青睞，鋰氧電池理論容量高達11140?wh/kg，接近石油的能量密度（13000?wh/kg），是最有潛力的能量儲存轉換裝置之一。但是也存在以下問題：能量效率低、循環壽命短和倍率性能差等。正極是鋰氧電池中不可缺少的組件，電極的催化反應主要發生在催化活性物質、電解液和氧氣之間的固液氣三相界面上，三相界面上的因素都左右著電池的放電容量、倍率和循環性能等。因此開發出一種可靠的正極材料是十分必要的。目前鋰氧電池常用的材料主要包括以下幾種：碳材料、貴金屬、過渡金屬氧基材料。碳材料由于其大的比表面積，良好的氧還原活性，合適的孔徑和體積，多孔正極可以促進氧氣、電子和鋰離子的轉移，以及經濟等優點而被廣泛用作正極材料。但是不同的碳材料都會發生不同程度的碳腐蝕，碳腐蝕副反應的產生會導致鋰氧電池循環性能下降。通過對碳材料進行元素摻雜可以提高碳材料的電催化活性，可以提高鋰氧電池的循環性能。生物質材料由于其中的蛋白質含有氮原子，因此可以制備摻氮碳，利用這種方法可以在低成本情況下進行大規模生產摻氮碳。現有技術中，也有將生物質碳材料用于鋰電池碳基負極材料，但是其在制備過程中需要加入鉀、鈣、鈉、鎂、鋁、鋅、鈦和鑄鋁合金粉，利用金屬鎂、鋁、鋅、鈦的強還原性，優先與生物質中大量的含氧官能團反應，降低碳源的損耗，提高成碳轉化率以及減少了碳材料中缺陷。此外，利用金屬鎂、鋁、鋅、鈦與含氧官能團在局部反應會放出大量的熱，高溫高壓的反應環境提高局部的石墨化程度，增強材料的電導率。但其制備方法復雜，成本較高。

2、在城市建設與發展不斷推進的背景下，市政污水的處理量逐漸增加，其中活性污泥法已成為治理市政污水的主要技術。然而，剩余活性污泥的處理問題日益突出，成為了必須認真對待的挑戰。當前剩余活性污泥常用的處理方法主要包括衛生填埋、污泥焚燒以及土地資源化利用等。現有技術中，也有活性污泥資源化利用的方法，但大都應用于光催化領域，如通過將鈦酸正丁脂與活性污泥碳顆粒混合，煅燒，以活性污泥炭顆粒為載體，載體上包覆二氧化鈦制備負載型光催化劑，該負載型光催化劑能夠有效去除污水中的重金屬。

3、如能將剩余活性污泥進行碳化，有效回收其所含的氮和有機物，并將其進一步轉化為鋰氧電池的正極材料，不僅在一定程度上可以解決剩余活性污泥的問題，同時還可以實現資源的再利用。

4、目前將剩余活性污泥應用于鋰氧電池的研究，還未見報道。

技術實現思路

1、為了解決上述存在的技術問題，本發明的目的之一是提供一種利用城市剩余活性污泥制備基于活性污泥生物質碳的鋰氧電池催化劑，將其應用于鋰氧電池氣體擴散層上，可以顯著提高鋰氧電池的循環性能，延長電池循環壽命。

2、為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是：基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，所述基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑是酸改性活性污泥生物質碳，制備方法包括如下步驟：

3、沉降：于活性污泥中加入去離子水，沉降后，取中間層混合溶液，獲得活性污泥ⅰ；

4、清洗純化：于活性污泥ⅰ中加入低濃度的酸，進行清洗純化，獲得活性污泥ⅱ；

5、干燥：將活性污泥ⅱ冷凍干燥，獲得活性污泥ⅲ；

6、煅燒：將活性污泥ⅲ放置在管式爐中，氮氣保護下，煅燒，獲得活性污泥生物質碳；

7、酸改性：將獲得的活性污泥生物質碳加入高濃度的酸中，浸泡，清洗，獲得酸改性活性污泥生物質碳。

8、進一步地，所述沉降步驟中，按料液比，活性污泥：去離子水=1?g：（50-150?）ml，沉降10?min-30?min。

9、進一步地，所述清洗純化步驟中，所述低濃度的酸選自鹽酸、硝酸或硫酸。

10、更進一步地，采用低濃度的酸，酸的濃度按體積百分比為1%-5%。

11、進一步地，所述煅燒步驟中，在700?℃-900?℃下煅燒4?h-5?h。

12、進一步地，所述酸改性步驟中，所述高濃度的酸選自硝酸、鹽酸或硫酸。

13、更進一步地，采用高濃度的酸，酸的濃度按體積百分比為30%-50%。

14、更進一步地，所述酸改性步驟中，浸泡5?h-7?h。

15、本發明的目的之二是提供基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑的應用，將基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑作為正極材料應用于鋰氧電池。

16、進一步地，將酸改性活性污泥生物質碳和粘結劑溶于氮甲基吡咯烷酮中，超聲60min-120?min，將所得漿料滴涂到氣體擴散層的載體上，于100?℃-120?℃下干燥12?h-14h，獲得鋰氧電池的正極片。

17、進一步地，所述粘結劑為聚偏二氟乙烯。

18、進一步地，按質量比，酸改性活性污泥生物質碳：聚偏二氟乙烯=（8-9）：（2-1）。

19、本發明的有益效果是：

20、通過對碳材料進行元素摻雜可以提高碳材料的電催化活性，本發明提出的基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，通過回收活性污泥將其碳化，隨后將活性污泥生物質碳浸泡在高濃度的酸溶液中，最后多次清洗去除酸，由于活性污泥中的蛋白質含有氮原子，從而獲得富含n、o摻雜的碳材料，所得酸改性活性污泥生物質碳獲得了更大的比表面積和氧缺陷引入，從而優化和提高了鋰氧電池的循環性能。利用本發明的方法可以在低成本情況下進行大規模生產摻氮碳，本發明填補了活性污泥在鋰氧電池應用中的空白，操作簡單有效，可以有效的利用活性污泥，所制備的碳材料具有良好的循環穩定性，對鋰氧電池的正極材料研發和活性污泥的資源化利用提供了技術基礎。

技術特征：

1.基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，其特征在于，所述基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑是酸改性活性污泥生物質碳，制備方法包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，其特征在于，所述沉降步驟中，按料液比，活性污泥：去離子水=1?g：（50-150?）ml，沉降10?min-30?min。

3.根據權利要求1所述的基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，其特征在于，所述清洗純化步驟中，所述低濃度的酸選自鹽酸、硝酸或硫酸；酸的濃度按體積百分比為1%-5%。

4.根據權利要求1所述的基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，其特征在于，所述煅燒步驟中，在700?℃-900?℃下煅燒4?h-5?h。

5.根據權利要求1所述的基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，其特征在于，所述酸改性步驟中，所述高濃度的酸選自硝酸、鹽酸或硫酸；酸的濃度按體積百分比為30%-50%。

6.根據權利要求5所述的基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑，其特征在于，所述酸改性步驟中，浸泡5?h-7?h。

7.基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑的應用，其特征在于，將權利要求1-6任一項所述的基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑作為正極材料應用于鋰氧電池。

8.根據權利要求7所述的應用，其特征在于，將酸改性活性污泥生物質碳和粘結劑溶于氮甲基吡咯烷酮中，超聲60?min-120?min，將所得漿料滴涂到氣體擴散層的載體上，于100℃-120?℃下干燥12?h-14?h，獲得鋰氧電池的正極片。

9.根據權利要求8所述的應用，其特征在于，所述粘結劑為聚偏二氟乙烯。

10.根據權利要求9所述的應用，其特征在于，按質量比，酸改性活性污泥生物質碳：聚偏二氟乙烯=（8-9）：（2-1）。

技術總結
本發明公開基于活性污泥生物質碳制備的鋰氧電池催化劑及其應用，屬于鋰氧電池正極材料技術領域。鋰氧電池催化劑是酸改性活性污泥生物質碳，制備方法包括：于活性污泥中加入去離子水，沉降后，取中間層混合溶液，獲得活性污泥Ⅰ；于活性污泥Ⅰ中加入低濃度的酸，進行清洗純化，獲得活性污泥Ⅱ；將活性污泥Ⅱ冷凍干燥，獲得活性污泥Ⅲ；將活性污泥Ⅲ放置在管式爐中，氮氣保護下煅燒，獲得活性污泥生物質碳；將獲得的活性污泥生物質碳加入高濃度的酸中，浸泡，清洗，獲得酸改性活性污泥生物質碳。本發明填補了活性污泥在鋰氧電池應用中的空白，操作簡單有效，可以有效的利用活性污泥，所制備的碳材料具有良好的循環穩定性。

技術研發人員：舒清柱,李竹馨,王天才,山凱明
受保護的技術使用者：大連美牛新能源有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24