[發明專利]一種三維孔狀碳泡沫支架電極的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201410179102.4
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103985881A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 黃漢雄;王亞瓊
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 謝靜娜;楊曉松

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池技術領域，特別涉及一種三維孔狀碳泡沫支架電極的制備方法及應用。

背景技術

隨著全球氣候變暖和化石燃料耗竭等問題的日益嚴峻，可替代能源和可再生能源的研究受到越來越多的重視。近年來，一種能直接將化學能轉化為電能的發電裝置——微生物燃料電池(MFC)，以其特有的優點，逐漸成為新興能源領域的研究熱點。在MFC的陽極表面，水溶液或污泥中的有機物，如葡萄糖、醋酸、多糖或其他可降解的有機物等在微生物的作用下，產生二氧化碳、質子和電子。從MFC的產電機理來看，陽極作為產電微生物附著的載體，不僅影響產電微生物的附著量，同時對電子從微生物向陽極的傳遞產生影響，陽極的優化對提高MFC產電性能有至關重要的影響。由于陽極直接參與微生物催化的燃料氧化反應，而且吸附在電極上的微生物對產電量起主要作用，所以陽極材料的改進以及表面積的提高有利于更多的微生物吸附到電極上，例如，通過在陽極上加入聚陰離子或鐵、錳元素，都能使MFC更高效地產電。一直以來，功率問題制約著MFC的發展，選擇合適的陽極材料對提高MFC的產電能力具有重要的理論意義與應用價值。

但是，現有MFC的陽極都使用碳氈電極作為MFC的陽極，其缺點在于：MFC的最大輸出電流密度和最大輸出功率密度不高，而且碳氈電極的材料來源不廣、價格較高，電極的穩定性及生物相容性較差，不利于MFC的商業化大規模應用。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種三維孔狀碳泡沫支架電極的制備方法，通過該方法制得的電極可有效提高微生物燃料電池的最大輸出電流密度和最大輸出功率密度，且前驅體材料來源廣泛、價格低廉、穩定性較高。

本發明的另一目的在于提供一種通過上述方法制得的三維孔狀碳泡沫支架電極的應用。

本發明的技術方案為：一種三維孔狀碳泡沫支架電極的制備方法，包括下述步驟：

(1)制備前驅體溶液：采用聚丙烯腈(PAN)為溶質，二甲基亞砜(DMSO)為溶劑，在DMSO中逐步加入PAN，然后通過超聲振動并攪拌，直至PAN完全溶解并均勻分散，得到的聚丙烯腈二甲基亞砜溶液(PAN-DMSO)為前驅體溶液；前驅體溶液中，PAN的質量分數為2～12％；

(2)制備前驅體：采用溶液蒸發法，將步驟(1)得到的前驅體溶液倒入表面皿，進行蒸發，得到的固體為前驅體；

(3)制備微孔PAN發泡材料：在高壓釜中采用超臨界二氧化碳作為物理發泡劑對步驟(2)得到的前驅體進行發泡，得到微孔PAN發泡材料；

(4)制備電極：將微孔PAN發泡材料放入管式爐中進行煅燒，形成電極材料；將電極材料裁制后，再采用鈦絲進行固定，形成三維孔狀碳泡沫支架電極。

所述步驟(1)中，取50mL?DMSO時，所加入PAN的質量為1.0～6.0g。

所述步驟(1)中，在DMSO中逐步加入PAN時，每分鐘加入的量控制在0.2～0.25g，超聲振動的溫度為35～45℃。

所述步驟(2)中，對前驅體溶液進行蒸發時，蒸發溫度為50～70℃。

所述步驟(3)中，對前驅體進行發泡時，工藝條件為：飽和壓力為18～22MPa，飽和時間為4～5h，飽和溫度為180～200℃，泄壓速率為50～70MPas^-1。

所述步驟(4)中，將微孔PAN發泡材料進行煅燒時，首先將微孔PAN發泡材料升溫至220～240℃在空氣氣氛下煅燒4～6h，接著升溫至450～500℃在氮氣氣氛下煅燒4～5h，最后升溫至1000～1100℃在氮氣氣氛下煅燒4～5h，升溫速率均為5～10℃/min。

通過上述方法制得的三維孔狀碳泡沫支架電極用作MFC的陽極。

本發明相對于現有技術，具有以下有益效果：

本三維孔狀碳泡沫支架電極的制備方法中，利用PAN的來源廣泛、價格低廉，可有效降低微生物燃料電池的生產成本，為MFC的商業化大規模生產和推廣打下良好的基礎。

通過本三維孔狀碳泡沫支架電極的制備方法制得的電極，將其作為陽極應用于微生物燃料電池后，與傳統碳氈電極相比，三維孔狀碳泡沫支架電極穩定性強，生物相容性好，大大提高了MFC的最大輸出電流密度和最大輸出功率密度。

附圖說明

圖1A是本發明制得電極材料的掃描電子顯微鏡照片。

圖1B是圖1A的方框內局部放大圖。

圖2是本三維孔狀碳泡沫支架電極作為陽極的單室微生物燃料電池的結構示意圖。

圖3是本發明實施例1和對比例微生物燃料電池的電流密度及功率密度對比曲線圖。