微生物燃料電池(MFCs)是一種利用電化學活性微生物(EAMs)作為生物催化劑降解廢水中的有機化合物并產(chǎn)生電能的綠色處理技術(shù)。然而，其低功耗、高成本和缺乏可擴展性阻礙了MFCs的廣泛實際應(yīng)用。陽極，作為MFC操作的核心，其性能決定了電活性生物膜的電催化活性，并直接影響EAMs和電極之間的EET過程。因此，制備具有高導(dǎo)電性、多層孔結(jié)構(gòu)和足夠生物相容性的高性能陽極材料，是大幅度提高MFC發(fā)電性能效率，使MFC在污水處理、可持續(xù)清潔能源、環(huán)境生物修復(fù)等領(lǐng)域得到實際應(yīng)用的必要條件。

傳統(tǒng)的碳基陽極材料，包括碳布(CC)、碳刷和碳氈等，由于其比表面積低、內(nèi)阻高、細菌粘附力弱、微生物選擇性差，通常表現(xiàn)出低功率輸出。相比之下，許多納米材料，如碳納米管、石墨烯、導(dǎo)電聚合物和金屬化合物，由于其優(yōu)異的電催化活性，已被廣泛用于修飾 MFC。納米材料修飾可以有效地將電子從細菌轉(zhuǎn)移到電子受體的表面。然而，碳納米結(jié)構(gòu)材料的制備復(fù)雜且價格昂貴，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，調(diào)節(jié)現(xiàn)有材料結(jié)構(gòu)的能力往往有限，導(dǎo)致MFC性能不佳，且許多材料的制備還沒有得到充分的設(shè)計和優(yōu)化。

N摻雜可以提高材料導(dǎo)電性、活性位點數(shù)量和生物相容性，形成適合微生物生長的微環(huán)境，提高微生物的電催化活性。S?和P?摻雜進一步優(yōu)化了陽極元件的化學狀態(tài)和表面疏水性，從而提高了電極表面對細菌的親和力，促進了EET過程，甚至提高了微生物活性。Co?摻雜為氧還原反應(yīng)提供了額外的活性位點。具有大表面積的納米級多孔結(jié)構(gòu)不僅能促進電活性生物膜的形成，還能使其插入生物催化劑并與活性中心接觸。

本發(fā)明的目的在于提供一種用于微生物燃料電池的高導(dǎo)電雜原子(N，P，S和Co)摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料(N?HDPC)的制備方法及其在微生物燃料電池陽極材料制備中的具體應(yīng)用。

一種高導(dǎo)電雜原子摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料，包括以下步驟的方法制備得到：

步驟一：將單寧酸溶解于乙腈中，加入三乙基胺，超聲；將六氯環(huán)三磷腈和4，4?二羥基二苯砜溶解在乙腈中，將其加入超聲后的溶液中繼續(xù)超聲；離心收集沉淀物，用乙醇和去離子水洗滌，50～90℃真空干燥后得到共價交聯(lián)聚磷腈納米球；

步驟二：將普蘭尼克溶解在乙醇中，加入步驟一得到的共價交聯(lián)聚磷腈納米球，超聲均勻分散；將Co(OAc)2·4H2O溶于乙醇中，將其加入超聲均勻分散后的溶液中，室溫下攪拌后離心收集產(chǎn)物，用乙醇和去離子水洗滌，50～90℃真空干燥后得到PSTA?Co納米球；

步驟三：將步驟二得到的PSTA?Co納米球在石英管中恒定氬氣存在下由室溫加熱升溫至 750～900℃后恒溫3～6h，用HCl溶液和去離子水洗滌，在60～90℃下真空干燥，將干燥后得到的黑色粉末在石英管中由室溫加熱升溫至800～1000℃后恒溫3～6h，得到高導(dǎo)電雜原子摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料(N?HDPC)。

本發(fā)明的高導(dǎo)電雜原子摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料可應(yīng)用于微生物燃料電池陽極材料的制備，具體為：將碳布分別用丙酮、無水乙醇、去離子水分別超聲清洗20～40min，在管式爐中N2下加熱；向所述高導(dǎo)電雜原子摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料依次加入去離子水、異丙醇和質(zhì)量分數(shù)為5％的Nafion溶液，將均勻分散后得到的混合溶液均勻涂覆在預(yù)處理后的碳布兩面，干燥后用導(dǎo)電銀膠將鈦絲連接到碳布，得到含有高導(dǎo)電雜原子摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料的微生物燃料電池陽極材料(N?HDPC/CC)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明的高導(dǎo)電雜原子(N，P，S，Co)摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料的制備方法簡單。

(2)本發(fā)明的高導(dǎo)電雜原子(N，P，S和Co)摻雜多孔碳納米顆粒復(fù)合材料涂覆碳布后應(yīng)用作微生物燃料電池陽極材料，雜原子的摻雜使微生物燃料電池陽極材料具有高導(dǎo)電性、良好的生物相容性和豐富的電化學活性中心，促進了EET過程，大幅度提高微生物燃料電池 (MFCs)的輸出功率。