[發(fā)明專利]一種利用板栗殼制備生物電化學(xué)系統(tǒng)電極的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310102947.9
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN103165910A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙峰;王魯;劉玉蕾;陳水亮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;C02F1/46
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于廢水處理及綠色能源領(lǐng)域。涉及生物電化學(xué)系統(tǒng)，具體涉及一種生物電化學(xué)系統(tǒng)的電極及制備方法。

背景技術(shù)

生物電化學(xué)系統(tǒng)作為一種新興的“綠色”能源生產(chǎn)裝置，在污水處理、生物質(zhì)發(fā)電，生物制氫、無線監(jiān)控設(shè)備的電源、生物傳感器、重金屬回收等眾多領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景。其魅力在于：將原本需要高額能量輸入的污水處理工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕鬯疄槟芰縼碓吹牡湍芎纳踔廉a(chǎn)能工藝。將原本棘手的污水視為能量的來源，為水處理工業(yè)提供了一種嶄新的發(fā)展思路。近年來，隨著全球變暖現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，一系列節(jié)能降耗的綠色科技閃亮登場，生物電化學(xué)系統(tǒng)則是其中的優(yōu)秀代表。不僅擺脫了傳統(tǒng)污水處理工藝對能源的依賴，更是利用污水中的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生額外的電能，引起了研究人員的廣泛重視。近期又有學(xué)者在微生物燃料電池的基礎(chǔ)上開發(fā)了可產(chǎn)生氫氣、甲烷及過氧化氫等化工產(chǎn)品的微生物合成電池、以海水淡化為目的的微生物脫鹽電池和利用CO2氣體生產(chǎn)能源的微生物碳捕獲電池等。這些技術(shù)被統(tǒng)一歸類于微生物電化學(xué)系統(tǒng)。

生物電化學(xué)系統(tǒng)是利用微生物的新陳代謝作用，將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為其他形式的綠色能源如電能、氫能的體系。微生物的新陳代謝過程實質(zhì)上是有機(jī)物的氧化還原過程。在該體系的陽極部分，微生物攝取有機(jī)小分子，將其分解代謝并放出電子，同時產(chǎn)生質(zhì)子；產(chǎn)生的電子或質(zhì)子通過不同的外電路設(shè)置生成電能或氫能。

與常規(guī)的水處理技術(shù)相比，生物電化學(xué)系統(tǒng)的電極和優(yōu)勢產(chǎn)電菌群是實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵。電極部分通常選擇電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、生物相容性好的材料，如活性炭、碳紙、碳布和石墨顆粒等。在生物電化學(xué)系統(tǒng)中，產(chǎn)能效率很大程度上取決于電極材料的性能：是否利于微生物附著、是否利于微生物生長、孔隙結(jié)構(gòu)是否利于微生物與環(huán)境間的傳質(zhì)、導(dǎo)電性能是否良好以利于電子傳輸、材料成本是否來源廣泛價格低廉以便于實際應(yīng)用等。

生物電化學(xué)系統(tǒng)的電極需要提供良好的微生物附著位點以利于微生物生長，同時要保證電極制作技術(shù)的簡單化、標(biāo)準(zhǔn)化，以利于最終的商品化及產(chǎn)業(yè)化，因此，開發(fā)一種廉價高效、制作過程簡單規(guī)范的生物電化學(xué)系統(tǒng)電極是非常有必要的。

板栗殼是殼斗科植物栗的殼斗。原植物栗為落葉喬木，高15～20米。殼斗呈球形，表面密布分枝利刺，刺長1～1.5厘米，，刺上密被緊貼的柔毛，成熟時開裂而散出堅果。我國南北各地廣泛栽培。由于其表面密布分枝利刺，故而可以為微生物生長附著提供極大的表面積，利于其在生物電化學(xué)系統(tǒng)中的利用。因此，本方法選擇板栗殼為原料制備電極。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)方案：

本發(fā)明的目的是提供一種生物電化學(xué)系統(tǒng)電極的制備方法，以板栗殼為原料，用淀粉粘結(jié)劑將其粘附到一起，在高溫條件下對其進(jìn)行碳化，得到的電極具有很好的導(dǎo)電能力和極大的表面積，利于微生物附著、生長，使得應(yīng)用該電極的生物電化學(xué)系統(tǒng)獲得很好的電流產(chǎn)出。

具體的運用方法：

將淀粉與沸水按質(zhì)量比1:0.5~5混合后制成粘結(jié)劑。將板栗殼平鋪一層，在同層的板栗殼之間涂覆一層厚度為0.1mm~5mm的淀粉粘結(jié)劑，通過自然風(fēng)干或烘干使粘結(jié)層固化。將制備好的材料置于爐中，在惰性氣體氮氣或氬氣的保護(hù)下或真空條件下，以2℃/min~20℃/min的升溫速度加熱到600℃~1800℃，并停留30min~300min，形成生物電化學(xué)系統(tǒng)的碳基電極。

有益效果：

本發(fā)明中的電極以板栗殼為原料，一方面實現(xiàn)了廢物的再生利用，另一方面為制得的電極提供了極大的生物附著面積。本方法所制備的電極導(dǎo)電性強(qiáng)、生物相容性好，所利用的材料成本低廉，來源廣泛。具有良好的實用價值。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種利用板栗殼制備生物電化學(xué)系統(tǒng)電極的方法，以板栗殼、淀粉為原料加以制備，以下對具體實施方式加以說明。

具體實施方式一：

1）將20g淀粉置于容器中，加入40ml沸水，在90℃條件下攪拌20min，使淀粉充分分散在沸水中，由此制成淀粉粘結(jié)劑；

2）取4塊板栗殼，在其側(cè)面涂覆一層厚度為2.5mm的淀粉粘結(jié)劑，使其相互黏結(jié)；

3）將制備好的材料放入烘箱中，在70℃條件下烘烤1h；

4）將烘干的材料取出，放入管式爐中，在惰性氣體氮氣保護(hù)條件下進(jìn)行高溫碳化。溫度：1000℃，碳化時間：1h，即可制得生物電化學(xué)系統(tǒng)電極。

該電極應(yīng)用時根據(jù)生物電化學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸選擇不同數(shù)量的板栗殼即可。

具體實施方式二：