[發明專利]微生物燃料電池陽極表面修飾活性基團的方法

有效

• 申請號: 201310080323.1
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN103151536A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 李俊;張軍;葉丁丁;朱恂;廖強;陳蓉;王永忠
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭云

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池,具體涉及在微生物燃料電池陽極表面修飾活性基團的方法。

背景技術

微生物燃料電池（Microbial?Fuel?Cells，MFCs）是屬于生物質能的一種，具有原料來源廣泛、反應條件溫和、生物相容性好、在產生電能的同時進行廢水處理獨特優勢，成為全球可再生能源研究者關注的熱點。然而，由于目前微生物燃料電池產生的電能較低，人們正在努力去突破限制它產能低的因素。由于陽極材料是生物膜的附著基體，它的特性與生物膜氧化有機底物的速率密切相關，因此，陽極材料就成為了一種很重要的限制因素。同時，研究發現，陽極材料的修飾能夠很大程度上提升電池的性能，所以，尋找一種低成本、高效率的修飾方法就具有十分重要的意義。

目前，對于陽極材料的修飾主要有以下幾種方法：①.通過物理方式修飾。例如：改變電極表面的粗糙度，使細菌更容易的附著；改變電極表面的親疏水程度，使細菌在電極上生物膜的厚度不同；或者高溫處理改變電極表面的極性和通過電極表面包裹各種金屬元素，改變電池的內阻。②.通過化學方式修飾。例如：用硝酸或者是氫氧化鈉處理。③.通過高分子聚合物的修飾提升微生物燃料電池的性能。④.通過電化學沉積的方式，改變細菌在電極上面的反應速率等。

但是，在上面的這些處理方法中，用化學方式修飾后對性能提升的程度并不是很高，而用高溫熱處理則相對比較耗能，用高分子聚合物修飾時，會使得電極本身的導電性發生改變，同時這種預處理方式也是比較復雜。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供綜合利用電化學和化學手段對微生物燃料電池陽極表面修飾活性基團的方法。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是，微生物燃料電池陽極表面修飾活性基團的方法，其特征在于：包括以下步驟：

A.陽極基體預處理：將微生物燃料電池的陽極基體放入容器中，加入丙酮分析純溶液，直至丙酮將陽極基體全部淹沒，用保鮮膜將容器口密封住，放置24h后，將陽極基體取出，用去離子水沖洗干凈，再將陽極基體放入65℃～85℃烘箱烘干備用；

B.對經過預處理的陽極基體電解：將經過預處理的陽極基體固定在電解池中，作為工作電極；將另外一塊沒有預處理的電極基體固定在電解池中，作為對電極；向電解池內注入濃度為65%-68%的濃硝酸，然后將恒流源的正極連接工作電極，負極連接對電極，調節恒流源的電流使電解電流密度為1-1.5mA/cm²，經過5h～24h電解后，把連接恒流源正極側的陽極基體取出，用去離子水反復沖洗，直至附著在陽極基體表面的去離子水溶液pH值為7，再將沖洗過的陽極基體放入65℃～85℃烘箱烘干備用；

C.陽極基體放入氨水溶液中進行官能團的重組：將步驟B中烘干的陽極基體取出，放入裝有氨水分析純溶液的容器中，用保鮮膜將容器口密封住，放入通風櫥中靜置24h，然后把陽極基體取出，反復用去離子水沖洗，直至附著在陽極基體表面的去離子水溶液pH值為7，最后把陽極基體放在室內培養皿中，待其自然干燥后放入真空干燥箱中備用。

本發明的具體原理是：首先用丙酮溶液對陽極基體進行預處理，能夠去除陽極基體表面的有機物雜質，能夠讓細菌更好的與陽極基體接觸，沖洗干凈后，避免丙酮溶液對細菌在陽極基體表面的吸附和生長造成毒害作用；然后將處理好的陽極基體接上恒流源作為工作電極，而沒有經過處理的陽極基體則用來當作對電極，提供電解過程中發生還原反應的場所，并通過恒流源施加電解電流，使得硝酸的氧化反應更加強烈，從而加劇了惰性陽極基體表面的C—C鍵的斷裂和重組，由此引入了活性基團。經過5-24h電解后，陽極基體表面的官能團基本形成，接著用去離子水清除陽極基體中殘留的硝酸溶液，最后再將處理后的陽極基體放入到氨水溶液中，相比沒有經過處理的陽極基體而言，此時這些陽極基體表面的活性官能團就能夠與氨水進行充分的反應，進一步形成肽鍵和類醌類基團，這些基團的形成更有利于細菌與電極之間的電子傳遞，進而提高了微生物燃料電池的性能。

本發明能耗低，所有的修飾的過程中，需要提供額外能量的地方只有恒流源持續供給的較小電流，相對其他高溫處理（700-1200℃）耗能是較低的，并且陽極碳布在經過綜合處理后，以后的運行的過程中都不需要再進行其他的處理，就能夠維持一個較高的功率的輸出，這樣的投入更加經濟、合理。

根據本發明所述的微生物燃料電池陽極表面修飾活性基團的方法的一種優選方案，所述微生物燃料電池的陽極基體為碳布、碳刷、碳紙、碳氈、碳棒或石墨棒。