[發明專利]一種太陽光強化產電的沉積型微生物燃料電池

有效

• 申請號: 201310082123.X
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN103199290A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 任月萍;陳陽;李秀芬;王新華;朱春燕;康軍
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/86;C02F11/02
• 代理公司: 北京愛普納杰專利代理事務所(特殊普通合伙) 11419
• 代理人: 何自剛;王玉松

技術領域

本發明屬于新能源與新材料應用技術領域，具體涉及利用太陽光輻射為推動力，采用光敏材料負載陰極強化微生物燃料電池的產電能力。?

背景技術

沉積物微生物燃料電池(Sediment?Microbial?Fuel?Cell,SMFC)由埋在厭氧底泥中的陽極和懸于好氧水體中的陰極組成，這種特殊結構使其適用于河流、湖泊或海洋底泥修復和固體廢棄物處理。與現有的河湖底泥原位處理技術和生態疏浚技術相比，SMFC技術可以利用天然存在的微生物將底泥中有機物徹底氧化成CO₂和水，過程環保，無二次污染。?

SMFC在進行底泥原位修復的同時，還有望為水體中小型耗電裝置如傳感器等供電，具有廣闊的應用前景。然而，SMFC目前輸出功率較低，還不能滿足商業化的要求，因此如何提高體系的產電性能，降低其運行成本自然成為了該領域亟待解決的問題。SMFC以空氣中大量存在的氧氣為陰極終端電子受體。雖然氧氣具有較高的還原電勢，但其在陰極表面的還原反應(ORR)速率較慢，嚴重限制了SMFC的輸出功率。?

近年來，在陰極表面負載ORR催化劑如Pt、CoTTMP和FePc等可以顯著提高SMFC體系的輸出功率。然而，Pt催化劑高昂的價格無疑會增大SMFC的成本，限制其實際應用，過渡金屬大環化合物CoTTMP和FePc雖然也具有ORR催化活性但是穩定性較差，電極性能會隨著運行時間的延長不斷衰減。?

光催化材料又稱光觸媒，在光激發下，電子從價帶躍遷到導帶位置，在導帶形成光生電子，在價帶形成光生空穴。光生電子和空穴在內部電場作用下分離并遷移到材料表面，進而在表面發生氧化還原反應。一方面光生電子進入電路傳遞給陰極終端電子受體O₂，將太陽能轉化為電能；另一方面光生空穴具有強氧化性，可以氧化陰極區有機物，保持陰極附近溶氧濃度維持在較高水平。最終提高SMFC體系的輸出電壓和功率密度。Lu等(Energy?Fuels,2010,24:1184-1190)將具有光催化活性的天然金紅石粉末負載在陰極表面，以O₂作為陰極終端電子受體，運行雙室MFC發現，體系的最大功率密度由5.73W/m³增大到12.03W/m³，但是目前這種光敏陰極并未用于太陽光輻射下強化SMFC產電和沉積物有機質去除的報道。?

這種太陽光輻射強化產電的SMFC尤其適用于在自然水體中。在富營養底泥原位修復的同時，將太陽能轉化為電能，并提高SMFC對陽極沉積物中有機物的去除效率。?

發明內容

本發明提供了一種太陽光強化產電的沉積物微生物燃料電池，其陰極采用光敏材料負載電極。?

SMFC光敏陰極的制備方法，將光敏材料與導電劑(活性炭、乙炔黑、碳纖維、碳納米管、科琴黑和石墨烯)和粘結劑(Nafion溶液、PTFE乳液和PVDF乳液)按照一定比例混合均勻成漿料。將該漿料均勻地噴涂于電極基材(碳紙、碳布、碳氈、活性炭纖維氈和石墨氈)上，形成SMFC光敏陰極。?

具體的制備步驟如下：?

1)將光敏材料與一種或多種導電劑按比例混合；?

2)向上述混合物中加入一定體積的粘結劑并均勻混合成漿狀物；?

3)將上述漿狀物均勻地噴涂或涂覆于電極基材上；?

4)烘箱中40°C下干燥。?

所述光敏材料和導電劑的質量比為1:0.05～1:1。?

所述光敏材料包括TiO₂、TiO₂-ZnO、TiO₂-W、BiVO₄、Bi₂WO₆或Cu₂O中的一種或多種。?

所述導電劑為活性炭或者乙炔黑、碳纖維、碳納米管、科琴黑或石墨烯中的一種或多種。?

所述粘結劑為聚四氟乙烯(PTFE)乳液、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液或Nafion溶液中一種或多種。?

本發明所述的沉積型微生物燃料電池的結構包括光敏陰極，碳紙、碳布、碳氈、活性炭纖維氈或石墨氈陽極，電極支架，外導線以及100～1000Ω外電阻。?