[發明專利]微生物燃料電池三維層狀波紋碳陽極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210054573.3
• 申請日: 2012-03-05
• 公開（公告）號: CN102544524A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 陳水亮;侯豪情
• 申請（專利權）人: 江西師范大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種陽極的制備方法的制備方法，尤其涉及一種微生物燃料電池波紋碳陽極的制備方法。

背景技術

微生物燃料電池是利用微生物的新陳代謝把有機物能轉化為電能的一種發電裝置。微生物的新陳代謝過程實質上是一個有機物的氧化還原過程，最終轉化為二氧化碳和水。在電池的陽極部分，微生物攝取有機小分子，并把它被氧化成二氧化碳并放出電子，同時產生質子；電子通過不同的方式從微生物體內傳遞給陽極電極并經外電路傳遞到陰極，而質子通過隔膜傳遞到陰極；在陰極，在催化劑的催化下，氧氣得到電子被還原并結合質子轉化為水。微生物燃料電池作為一種新興的“綠色”能源在眾多領域顯示出潛在的應用：如用于污水處理、用于生物量(biomass)發電，把生物質(biomass?energy)能轉化為電能、生產氫氣、遠程監控設備的電源、生物傳感器、重金屬回收、甚至在不久的將來用于汽車的動力電能等。

在微生物燃料電池中，電池的產電效率決定于生長在陽極上的微生物的密度。微生物生長的數量越多，釋放的電子越多，電流密度越大。微生物的大小一般在0.5×2微米左右，并且以微生物膜的形式生長。應用于微生物燃料電池中的傳統陽極材料，由于孔隙結構的局限性，微生物膜在其上的繁殖生長以及底物和質子在其中傳遞效率受到了極大的限制，因而其產電效率也就受到了極大的限制；如：1)碳棒、碳紙的比表面積和孔隙度較小，微生物只能在其表面生長一層微生物膜，因而產生的電流密度受到極大的限制；2)傳統三維多孔碳纖維電極材料，碳/石墨氈，碳布以及泡沫碳等，盡管它們具有三維多孔的結構，使微生物膜能夠在其內部生長；但是這些電極中的孔隙大小小于幾十微米，在電極表面形成的微生物膜將大大阻礙傳質效率。由于傳質的限制，微生物膜在此類陽極中的生長密度受到了限制。在這類三維多孔電極中，只有電極表層約0.5毫米厚的孔隙才能夠被微生物膜利用，而且隨著電極深度的增加，微生物膜的密度降低，因此，它們產生的陽極電流密度只有10-16A/m²的水平；3)盡管文獻報道了多種新型三維多孔陽極材料，如石墨刷、碳納米管包覆的織物或海綿、電紡碳納米纖維膜等，可產生更高的電流密度20-30A/m²；但是這些電極同樣存在傳質的限制，而且它們的制備過程相對較為復雜，而且成本較高。這方面報道的文獻有【(1)Logan，B.，Cheng，S.，Watson，V.&?Estadt，G.Environ.Sci.Technol.41，3341-3346(2007).(2)Xie，X.et?al..Nano?Lett.11，291-296(2010).(3)Katuri，K.et?al.EnergyEnviron.Sci.4，4201-4210(2011).(4)Chen，S.L.et?al.Energy?Environ.Sci.4，1417-1421(2011).(5)Zhao，Y.et?al..Chem.Euro.J.16，4982-4985(2010).(6)Xie，X.et?al.Energy?Environ.Sci.DOI：10.1039/c1ee02122b.】等。

發明內容

本發明的目的在于提供一種低成本、環境友好、高性能的微生物燃料電池三維波紋碳陽極材料及其制備方法。

本發明是這樣實現的，一種微生物燃料電池三維波紋碳陽極材料，它包括碳化的波紋結構木質纖維素紙板、碳化的平板結構木質纖維素紙板，其特征是碳化的波紋結構木質纖維素紙板和碳化的平板結構木質纖維素紙板層層交替連接形成具有三維層狀波紋結構碳材料；其中，碳化的單層平板結構木質纖維素紙板的厚度為0.1-1毫米，波紋結構木質纖維素紙板的波紋高度H_f范圍1-10毫米；波紋的形狀包括：三角函數波形、方形波形、三角形波形、梯形波形，以及其它相關形狀。

所述波紋結構木質纖維素紙板和平板結構木質纖維素紙板連接方式優選淀粉膠為膠黏劑；淀粉膠是由淀粉粉末均勻分散在沸水所形成的粘稠溶液。

方法步驟為：采用淀粉水溶液膠作為膠黏劑將波紋結構木質纖維素基紙板和平板結構木質纖維素基紙板層層交替組裝起來形成具有三維層狀波紋結構紙板；三維層狀波紋紙板在700-1500℃的溫度下碳化，形成三維層狀波紋碳材料。

電活性細菌在三維層狀波紋碳材料中繁殖，可產生高達40-200A/m²的陽極電流密度。