[發(fā)明專利]以錳礦制備微生物燃料電池陰極電子受體的方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310717457.X
• 申請(qǐng)日: 2013-12-23
• 公開（公告）號(hào): CN103715434A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭立新;盧波;黃慨;黃日波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣西科學(xué)院
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M8/02;H01M8/16
• 代理公司: 廣西南寧匯博專利代理有限公司 45114
• 代理人: 朱萍球

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)境與新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以錳礦制備微生物燃料電池陰極電子受體的方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

微生物燃料電池（MFC）是一種以微生物為陽(yáng)極催化劑，通過(guò)其代謝作用，在常溫、常壓下將生活污水和工業(yè)廢水中的有機(jī)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，該技術(shù)是一種新概念的廢棄物處理和能源利用方式，具有在生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化和利用方面發(fā)揮重要作用的潛力，發(fā)展前景廣闊。

MFC包括單室微生物燃料電池和雙室微生物燃料電池，通常主要由陰陽(yáng)電極、質(zhì)子交換膜和反應(yīng)室3部分組成。其基本工作原理是：在陽(yáng)極反應(yīng)室厭氧環(huán)境下，有機(jī)物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽(yáng)極之間進(jìn)行有效傳遞，并通過(guò)外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極；在陰極表面，電子受體（如氧氣、鐵氰化鉀、高錳酸鉀等）與陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)的質(zhì)子和電子結(jié)合發(fā)生還原反應(yīng)。

陰極電子受體與電極材料是MFC電能輸出功率的關(guān)鍵因素。以空氣中的氧做為電子受體有很大成本優(yōu)勢(shì)和實(shí)用價(jià)值，但是由于氧還原慢的動(dòng)力學(xué)行為，往往需要高效催化劑來(lái)加快氧的還原。金屬鉑對(duì)于氧有極好的催化活性和較高的穩(wěn)定性，但因其價(jià)格昂貴，使其廣泛應(yīng)用受到限制。以廉價(jià)金屬氧化物二氧化錳修飾制備的復(fù)合陰電極材料既能降低電極材料的生產(chǎn)成本，又能較好地提高M(jìn)FC的功率輸出。中國(guó)專利（申請(qǐng)?zhí)枺?00810198453.4）公開了一種利用二氧化錳制備微生物燃料電池陰極的應(yīng)用方案，該方案具體是將二氧化錳、導(dǎo)電碳材料、粘結(jié)劑混合涂覆于導(dǎo)電基底上制備陰電極，并應(yīng)用到MFC上，其開路電壓可達(dá)459mV，輸出功率可達(dá)1619.85W/m³。張葉臻等成功制備了表面修飾二氧化錳的多壁碳納米管（MnO₂/MWNTs）復(fù)合材料，該復(fù)合材料作為陰極構(gòu)建的MFC具有較高的開路電壓（710mV)和輸出功率（最大輸出功率密度可達(dá)257mW/m²）。但以上采用二氧化錳制備陰電極方案的制備工藝均比較繁瑣、復(fù)雜，同樣會(huì)增加MFC的制備成本。氧化劑如重鉻酸鉀、鐵氰化鉀、高錳酸鉀等具有高的氧化還原電位，作為陰極電子受體可大幅度提高M(jìn)FC的輸出功率。詹亞力等研究發(fā)現(xiàn)，以醋酸鈉溶液作為陽(yáng)極營(yíng)養(yǎng)液，高錳酸鉀溶液作為陰極電子受體構(gòu)建雙室微生物燃料電池具備可行性，通過(guò)測(cè)試得到該MFC的最大開路電壓達(dá)1.2V，最大輸出功率密度達(dá)824mW/m²。

從廢棄物的利用角度看，MFC已具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但目前MFC制造成本偏高，使得經(jīng)濟(jì)價(jià)值降低。昂貴的陽(yáng)極催化劑和陰極材料是MFC成本高的主要原因。尋找高性能、低成本化學(xué)催化劑和陰極材料是MFC生物質(zhì)能利用的發(fā)展方向。在檢索到文獻(xiàn)中，未發(fā)現(xiàn)利用含錳礦物質(zhì)為主要原料制備的陰極電子受體并應(yīng)用到微生物燃料電池的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種以錳礦制備微生物燃料電池陰極電子受體的方法，通過(guò)該方法制備的陰極電子受體可應(yīng)用在微生物燃料電池中。本發(fā)明陰極電子受體制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，應(yīng)用在微生物燃料電池可大幅度提高其輸出電壓。

在微生物燃料電池陽(yáng)極室內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的電子會(huì)通過(guò)陽(yáng)電極與外線路傳遞至陰電極，質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜直接遷移至陰電極，而陰極室內(nèi)的電子受體會(huì)結(jié)合電子與質(zhì)子發(fā)生還原反應(yīng)，從而形成電流，源源不斷地將陽(yáng)極室內(nèi)有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。現(xiàn)有技術(shù)中常將氧化劑如重鉻酸鉀、鐵氰化鉀、高錳酸鉀等作為陰極電子受體，通常做法是將所述氧化劑配置成一定濃度的水溶液或緩沖溶液作為陰極電解液加入陰極室內(nèi)。

本發(fā)明提供了一種制備陰極電子受體的方案，具體是將錳礦粉末、三價(jià)鐵鹽經(jīng)酸浸泡處理制備而得。

本發(fā)明陰極電子受體是直接采用含錳礦物質(zhì)為原料制備的，原料廣泛易取，制備工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)為含錳礦物質(zhì)的利用增加了一條途徑。對(duì)于低品位或廢棄的含錳礦物質(zhì)同樣適用于本發(fā)明中，擴(kuò)大了礦產(chǎn)資源的利用率，對(duì)開發(fā)利用低品位或二次礦產(chǎn)資源具有重要意義。