[發明專利]一種利用好氧微生物作為陰極催化劑的MFC制備方法

無效

• 申請號: 200810064117.0
• 申請日: 2008-03-14
• 公開（公告）號: CN101242004A
• 公開（公告）日: 2008-08-13
• 發明（設計）人: 張金娜;趙慶良;尤世界;姜珺秋
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務所有限責任公司
• 代理人: 劉婭

(一)技術領域

本發明設計微生物燃料電池技術領域，具體涉及一種利用好氧微生物作為陰極催化劑的微生物燃料電池。

(二)背景技術

微生物燃料電池是一種以微生物作為陽極催化劑，將有機物氧化產生電能的裝置。反應過程中底物在陽極被細菌氧化并產生電子，電子通過外電路轉移到陰極，與質子和氧氣一起在陰極生成水。由于在處理污水的同時能夠回收清潔能源，微生物燃料電池(MFC)引起了人們的廣泛興趣，并很快成為研究熱點。

目前的MFC通常分為液相陰極和和空氣陰極兩種類型，液相陰極電子受體可以是具有高氧化還原電位的物質，但陰極電解液多為化學藥劑(如鐵氰化鉀或高錳酸鉀等)，且隨著反應的進行需要不斷向陰極補充電解液，不適合實際應用，有些產物還容易帶來二次污染，不符合可持續發展的原則。而空氣陰極MFC利用空氣中的氧作為電子受體，不需要外加電子受體，空氣又可大量免費獲得，因此大大節約了投資，和液態陰極電子受體相比，空氣陰極的最大優點是不用向陰極內定期更換基質，是真正意義上可持續性的生物燃料電池。但由氧氣分子在陰極表面發生的三相還原反應速率很慢，需要使用昂貴的金屬Pt作催化劑來降低反應的過電位損失，這就大大增加了空氣陰極燃料電池的造價；也有研究表明CoTMPP或FePc等也有催化作用，但這都需要系統額外投入很多費用。另外，金屬離子會造成陰極的催化劑中毒，導致系統運行失敗；若能夠減少或不用Pt催化劑則可使系統投資大大降低，便于推廣應用。

最近，Gregory?et?al.等人發現對于硝酸鹽或延胡索酸還原反應，一些細菌可以在沒有氫氣的情況下獲得電子，最近也有研究表明生物陽極氧化醋酸鹽過程可伴隨生物陰極將硝酸鹽還原成氮氣；Clauwaert等人用管式反應器成功的啟動了生物陰極MFC。但其在啟動及運行過程中向系統中投加M9電子中介體，這在實際應用中是不合適的。另外，要想使空氣陰極MFC有可能應用到實際污水處理工藝中必須想辦法少用或不用金屬催化劑，微生物陰極催化能夠滿足這一要求。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種利用好氧微生物作為空氣陰極微生物燃料電池的陰極催化劑，該電池的最大特點是陰極不需要任何的金屬催化劑，而是直接采用好氧微生物對氧氣還原進行電化學催化，這些微生物能夠簡單的從好氧污泥中獲得，從根本上降低了MFC造價，大大提高了MFC在實際中的可應用性和可持續性。

本發明的目的是這樣實現的：采用雙池結構的空氣陰極MFC，反應器由陰極室和陽極室構成，中間由陽離子交換膜隔開，陰極和陽極分別置于有機玻璃制成的反應器兩側，電極材料為導電碳纖維，使用前用1mol/L?HCl浸泡去除雜質離子，再用1mol/LNaOH浸泡，最后用去離子水沖洗；將導電碳纖維固定在炭棒上，炭棒由反應器頂端伸出，電流通過炭棒導出，反應器啟動前，將陽離子交換膜用過氧化氫煮10min，然后用去離子水浸泡5h備用，陰陽極室上下端分別設有出水口和進水口，陰極采用穿孔管曝氣，陽極和陰極炭棒之間用銅導線連接，電路外接電阻500Ω。

本發明還有這樣一些技術特征：

1、所述的纖維絲平均直徑為6μm，比表面積817～2720m²/m³，電極體積為9.6cm³；

2、所述的生物陰極MFC的啟動采用間歇運行方式，陽極進水以葡萄糖為底物，濃度為1g/L；陰極進水以碳酸氫鈉為無機炭源，濃度為2g/L，用曝氣池污水接種，啟動初期每兩天更換一次；在外電阻R_EX＝500Ω條件下系統運行；

3、所述的陰極微生物的養分組成為：NaHCO₃(2g/L)、NH₄Cl(0.31g/L)、KCl(0.13g/L)、NaH₂PO₄(4.22g/L)、Na₂HPO₄(2.75g/L)、(NH₄)₂SO₄(0.56g/L)、MgSO₄·7H₂O(0.2g/L)、CaCl₂(15mg/L)、FeCl₃·6H₂O(1mg/L)、MnSO₄·H₂O(20mg/L)以及微生物生長所需的微量元素營養溶液；

4、所述的陽極以葡萄糖為底物，其他成分與陰極相同。實驗采用間歇運行的方式進行；

5、所述的過氧化氫濃度為30％v/v。