[發明專利]提高微生物燃料電池陽極性能的方法

有效

• 申請號: 201210219544.8
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN102751510A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 邵宗平;楊鳳銀
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域

本發明涉及一種提高微生物燃料電池陽極性能的方法，屬于微生物燃料電池領域。

背景技術

微生物燃料電池（microbial?fuel?cell，簡稱MFC）作為一種利用微生物代謝產生電能的新方法，在20世紀90年代初開始受到關注，研究人員在MFC領域展開了大量的工作，并取得了顯著成果。雖然MFC的功率密度比燃料電池要低，但它在水資源的可持續發展中有望成為核心技術。MFC的功率密度比較低，其主要原因一方面是由于微生物細胞向陽極轉移電子的能力不強，另一方面是由于MFC系統中的歐姆損失較大。因此，選擇高性能的MFC材料是至關重要的，特別是陽極。陽極對MFC系統的影響主要表現在：（1）其材質和結構，不僅直接影響微生物細胞與電極的有效接觸距離，還影響能有效向電極傳遞電子的微生物細胞數量，從而影響MFC系統中電子轉移效果；（2）電極阻值是影響功率密度輸出的一個重要因素，雖然在實際應用中降低電極阻值并不總是提高功率輸出，但是在選擇陽極材料時，高導電率仍是需要考察的重要問題之一。因此，在MFC中，高性能的陽極要易于產電微生物細胞附著和生長，易于電子從微生物細胞向陽極傳遞，同時要求陽極內部電阻小、導電性強、生物相容性好。常用的碳材料陽極有碳布、碳紙、碳棒、泡沫碳、玻璃碳，石墨材料的陽極有石墨棒、石墨氈、石墨顆粒、石墨板等，此外還有活性碳、碳纖維。針對陽極材料的電化學性能的提高，研究者們作出了大量的研究。主要分為兩大類，一是金屬或金屬化合物修飾陽極，如金修飾的碳紙陽極、Mn⁴⁺修飾的石墨陽極、碳化物-磺酸聚氟碳化物/石墨盤片陽極，Fe₃O₄或Fe₃O₄與Ni²⁺修飾的石墨粘板陽極，以及Mn²⁺與Ni²⁺修飾的石墨-陶瓷陽極，等等；二是非金屬處理陽極，如高溫氨氣處理碳電極、用硝酸和乙二胺處理的碳纖維作陽極。但是這些方法的處理成本較高，工藝步驟較為復雜，大大提高了電池的制作成本。因此開發出一種工藝步驟簡單，成本相對較低但能顯著提高陽極電化學性能的修飾方法具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前常用的碳材料陽極的表面光滑不是很利于細菌的直接吸附，比表面積不大而導致直接吸附在陽極上的細菌數量少，電子傳遞能力有限等電化學性能不好的問題，而提供的一種提高微生物燃料電池陽極性能的方法，且該方法在制備過程中無需使用復雜且高價的輔助設備，且工藝簡單易于重復制備。

本發明的技術方案為：提高微生物燃料電池陽極性能的方法，其具體步驟如下：一、把陽極材料在聚四氟乙烯，簡稱PTFE乳液中浸泡后烘干；二、重復步驟一的操作使陽極材料上聚四氟乙烯負載量達到預設的質量負載量；三、將步驟二所得的陽極在空氣氣氛下進行熱處理；四、將步驟三所得的陽極在惰性氣氛下進行熱處理，即得到改性后的微生物燃料電池陽極。

優選所述的陽極材料為碳質的電極材料，如碳布、碳紙、碳棒。優選所述的PTFE乳液的質量濃度為0.5%-5%。

優選步驟二中所述的PTFE的質量負載量（以陽極材料的質量為基準）為20%-45%。

優選步驟三中所述的空氣氣氛下進行熱處理的溫度為330-380℃；熱處理時間為15-35min。

優選步驟四中在惰性氣氛下熱處理溫度為900-1100℃；熱處理時間為15-65min。

優選所述的碳材料陽極惰性氣氛中熱處理所用氣體為惰性氣體，更優選如氬氣、氦氣或氙氣。

本發明對陽極電極的電化學性能的測試采用傳統的電化學循環伏安測試法和電化學阻抗譜法。電化學循環伏安（CV）測試條件：工作電極為直徑3cm（S=7cm²）的未改性處理的或改性處理后的陽極，對電極為鉑絲，參比電極為Ag/AgCl（3.5M?sat.KCl）；電解液：10mM?K₃Fe(CN)₆，1M?KCl；掃描范圍：-0.4V~+1.0V，掃速：50mV/s。電化學阻抗（EIS）測試條件：工作電極為直徑3cm（S=7cm²）的未處理過的或改性處理后的陽極，對電極為鉑絲，參比電極為Ag/AgCl（3.5M?sat.KCl）；電解液：10mM?K₃Fe(CN)₆，1M?KCl；100KHz~100mHz。