[發明專利]一種電氣石-聚苯胺復合電極的制備方法及應用

無效

• 申請號: 201310683279.3
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103715433A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 張捍民;張嶸;張廣毅
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微生物燃料電池領域，具體涉及一種電氣石-聚苯胺復合電極的制備方法及其應用。

背景技術

由于人們日常生活以及工業發展的需要，消耗大量的能源。我國現在是以煤炭和石油等不可再生的傳統能源為主要能源的國家，煤炭和石油等化石燃料在過去的一個世紀支撐著工業的發展，但是化石燃料不能長久維持整個世界的可持續發展。而且隨著我國經濟的發展和消費的增長，生活垃圾和工業廢物廢水產生了大量的有機廢物，引起的環境污染問題日益嚴重。同時人們生活的環境也受到嚴重了威脅，尤其是水的污染。長期以來，人們利用傳統有機廢水處理技術作為污水處理的主要手段，如活性污泥工藝和生物膜工藝。但是這些技術去除有機物的同時耗費能源。事實上，有機廢水中含有大量的化學能，如果能把有機廢水中的能量轉化出來，就可以到達即處理廢水又解決能源危機的問題。

在近幾十年中，從我們的地球上大量廢物中回收能源是一項我們一直重視的研究，其研究可能同時解決能源問題和環境問題。其中微生物燃料電池（Microbial?Fuel?Cell）作為一種新型的污水處理技術，在去除有機物的同時可以產生電能，為解決環境問題和能源問題提供了一條新途徑。

微生物燃料電池也有其一些缺點，因此限制了其在污水處理中的實際應用。微生物燃料電池主要由陽極室、陰極室和中間的隔膜構成，在陽極室依靠微生物氧化有機物產生質子和電子，質子通過質子交換膜到達陰極，而電子通過外電路到達陰極，在陰極上質子、電子以及電子受體（氧氣、硝酸氮等）發生反應。而陰極的催化效率是限制微生物燃料電池產電性能的主要影響之一。目前作為陰極催化劑的材料主要是Pt等貴金屬，價格十分昂貴，所以尋找代替Pt或者是催化效率大于Pt的陰極催化劑是研究的重點之一。

Bruce?E.Logan等在陰極利用微生物作為陰極的催化劑提高了微生物燃料電池的產電性能，其產電性效率要優于Pt修飾的電極。微生物在充足的營養條件下可以持續的保持高的活性，因此在生物陰極可以保持高的催化效率，應用微生物做催化劑使得微生物燃料電池的成本大大降低，同時也促進了微生物燃料電池的實際應用。

電氣石是一種以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鈣、鎂的環狀硅酸鹽晶體礦物。具有顯著的熱電性、壓電性和自發電極性。研究認為電氣石具有自發調節水體的氧化還原電位和pH值；降低水分子締合度；增加水的生物膜透過率；促進細胞的新陳代謝等功能。而且電氣石具有較高的物理化學穩定性，可重復利用，不產生二次污染。Ni等研究表明電氣石能刺激發酵微生物早期滯后階段的生長，并且增加后期發酵階段的代謝產量。張斯等研究表明電氣石可以提高固定在菌絲小球上的苯胺降解細菌的數量和活性。聚苯胺作為一種導電高分子材料，其原料便宜，合成簡便，耐高溫及抗氧化性能良好，有較高的電導和潛在的溶液、熔融加工可能性，易成膜且膜柔軟、堅韌等優點。因此????????????????本專利利用電氣石對微生物生長的促進作用和聚苯胺導電性來修飾電極，可以提高電極的生物適應性和導電性，進而提高微生物的活性，提高微生物在微生物燃料電池陰極的催化作用。

陰極的催化性是限制微生物燃料電池的主要因素之一，目前在陰極室主要以氧氣作為陰極的電子受體，而在沒有催化劑的條件下氧氣的還原效率很低，而使用的催化劑主要是Pt等貴金屬，該催化劑具有價格昂貴、容易失效、需要經常替換等缺點,增加了微生物燃料電池的運行成本，限制了非生物陰極微生物燃料電池的進一步發展。而生物陰極對氧氣有很高的催化效率，同時微生物可以連續不斷的生長，可以持續保持陰極的催化效率，同時微生物還可以降解污水中的污染物。

發明內容

本發明目的是提供電氣石/聚苯胺復合電極的制備方法，以及該材料作為微生物燃料電池生物陰極的電極材料提高微生物燃料電池的產電性能。該材料作為生物陰極的電極材料可以為微生物提供良好的生長環境，使該電極上附著更多的微生物，保持生物陰極微生物的活性，提高生物陰極催化陰極反應的效率。

電氣石/聚苯胺復合電極：電氣石/聚苯胺修飾的石墨電極，在石墨電極表面形成了具有電氣石和聚苯胺的復合物，使其電極表面變得更為粗糙，增大了電極的表面積。電氣石/聚苯胺修飾的電極相比聚苯胺修飾的電極含有更多的元素,有B,Na,Al,S,K,Ti,Cr,Fe，進一步說明了石墨電極上附著有電氣石顆粒。此外附著的電氣石顆粒，對電極周圍微生物的生長有促進作用，能夠提高微生物的活性，促進微生物燃料電池生物陰極的催化作用。