[發(fā)明專利]碳化鉬在制備微生物燃料電池陽極中的應用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910192448.7
• 申請日: 2009-09-17
• 公開（公告）號: CN101656314A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發(fā)明（設計）人: 曾麗珍;趙少飛;李偉善
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/90;H01M4/96;H01M8/16
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發(fā)明屬于微生物燃料電池的制造領域，具體涉及用碳化鉬制造微生物燃 料電池陽極，并將該陽極用于制造微生物燃料電池。

背景技術

隨著有機廢棄物數量的日益龐大和化石燃料的逐漸耗竭，環(huán)境保護與新能 源開發(fā)受到越來越多的重視。近年來，一種利用微生物將有機物中的化學能直 接轉化為電能的裝置——微生物燃料電池(Microbial?fuel?cell，MFC)，逐漸成 為環(huán)境污染治理和新興能源開發(fā)領域的研究熱點。微生物燃料電池(MFCs)， 是微生物學與燃料電池技術相結合的產物。產電微生物在MFCs陽極室可以 降解有機物產生電子和質子，電子通過外電路、質子通過質子交換膜傳遞到電 池陰極，電子與質子及氧在陰極反應生成水，從而產生電流。在MFCs的陽極 室，各種有機廢棄物，如畜禽糞便、淀粉廢水、生活污水、垃圾滲濾液等，都 被嘗試用作MFCs的燃料來發(fā)電，普遍報道具有較高的COD去除率(可達到 80％以上)。由此可見，MFCs在處置有機廢物的同時產生清潔的電能，是一項 具有遠大應用前景的新能源技術。

作為微生物附著的陽極，應盡可能地為產電微生物提供較大的附著空間， 為微生物提供充足的營養(yǎng)，同時還要將微生物產生的電子和質子迅速傳輸出 去。現有MFCs陽極材料的研究，除了試圖增大微生物的附著面積、提高產電 微生物的附著量外，缺少對提高電子和質子傳遞的措施研究。

目前已經發(fā)展MFCs的電極材料必須滿足導電性、生物兼容性和化學穩(wěn)定 性的要求。碳材料不僅符合上述要求，而且價格低廉，是最常用的基本電極材 料。已研究的碳材料包括石墨板、石墨棒、石墨顆粒、碳氈、碳紙、碳布、碳 泡沫、網狀玻璃碳等。研究表明，陽極電極內表面積的增加，有利于輸出功率 的提高。通過物理、化學方法修飾電極，能夠增加陽極內表面積或增強微生物 與電極作用活性，從而提高MFCs性能。先前報道了，使用Mn⁴⁺修飾的陽極 后，MFCs的電能輸出得到較大改善；石墨/PTFE(聚四氟乙烯)復合電極， 接種Escherichia?coli利用葡萄糖產電，當PTFE質量含量為30％時，最大功率 密度達到了760mW/m²；利用氨氣處理碳紙陽極后，增加了電極表面負荷，改 善了電子傳遞效率，有效提高了電池的輸出功率；另外研究證明碳化鎢(WC) 可作為陽極電催化劑，可以高效催化氧化MFCs運行條件下的發(fā)酵產物如氫 氣、甲酸鹽、乳酸鹽等；使用CNT/PANI(碳納米管/聚苯胺)和PPy-CNTs(聚 吡咯-碳納米管)復合陽極，使得陽極特性面積與電荷傳輸能力得到提高，大 幅度地改善了MFCs陽極反應的電化學活性。早期報道了在陽極上加入聚陰離 子或鐵、錳元素，使其充當電子傳遞中間體的作用，也能使電池更高效地進行 工作。例如用石墨陽極固定微生物來增加電流密度，然后用AQDS、NQ、Mn²⁺、 Ni²⁺、Fe₃O₄、Ni²⁺來改性石墨作為陽極，結果表明，這些改性陽極產生的電流功 率是平板石墨的1.5～2.2倍。除此之外，在石墨電極表面沉積Mn⁴⁺，Fe₃O₄能 縮短電池產電的適應階段。將鐵氧化物涂抹于陽極上，電池的輸出功率由 8mW/m²增加到30mW/m²，這主要是由于金屬氧化物強化了金屬還原菌在陽極 的富集所致。

鉑族金屬或VIII族過渡金屬，尤其是鉑、鈀、銠、銥、釕等稀有貴金屬， 通常作為催化劑被廣泛的應用于化學合成、石油化工和環(huán)境保護等化學工業(yè)領 域。但是這類金屬，尤其是一些稀有貴金屬，因其儲量有限，隨著對它們的需 求的不斷增加，人們希望找到其他具有類似催化功能而又容易獲得的物質來代 替他們。

碳化鉬(β-Mo₂C)因其特殊的結構而具有與貴金屬相似的電子結構，從 而使其很多反應中有和貴金屬類似的催化性能。已有研究表明，碳化鉬對于加 氫脫硫的反應、加氫脫氮反應，異構化反應和烴類轉化與合成反應有良好的催 化活性，同時碳化鉬對于脫硫反應中產生的硫抗中毒性能。隨著研究的深入， 碳化鉬等碳化物有望成為替代稀有貴金屬的新型催化劑，但尚未在微生物燃料 電池中體現其應用價值。

發(fā)明內容