[發(fā)明專利]具有三維開放結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池陽極材料及制備方法

在審

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• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104393311A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳野;溫青;叢宇鵬;王宇陽
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種微生物燃料電池陽極材料。本發(fā)明也涉及一種微生物燃料電池陽極材料的制備方法。?

背景技術(shù)

微生物燃料電池(MFC)是利用微生物為陽極催化劑，將儲存在有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的理想裝置。Logan等同步微生物產(chǎn)電和污水生物處理的研究同時實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢棄物處理和清潔電能生產(chǎn)，使MFC技術(shù)成為能源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，為同時解決能源問題和保護(hù)環(huán)境提供了一個全新思路。從MFC技術(shù)提出之后，各國研究者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，包括改進(jìn)電池構(gòu)型、開發(fā)高效廉價電極材料、優(yōu)化電池運(yùn)行參數(shù)、MFC的電子傳遞機(jī)理、MFC的電子受體、MFC的胞外產(chǎn)電菌的群落分析及MFC功能的擴(kuò)展等，通過這些研究使得MFC的產(chǎn)電性能大幅提高，未來的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。?

但MFC的研究現(xiàn)狀距實(shí)際應(yīng)用還有距離，許多問題有待解決。其中最重要的就是其輸出功率較低，而MFC的核心部件之一陽極材料的性質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)對MFC的產(chǎn)電能力有最直接的影響。?

陽極作為產(chǎn)電微生物附著的載體，應(yīng)該具有大的表面積、良好的導(dǎo)電性和生物相容性。常用的陽極是碳基材料，如石墨、碳?xì)?、碳紙等。大部分材料的使用基本上采用為化學(xué)燃料電池和電池設(shè)計(jì)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，而忽略了MFC電極作為微生物群落的棲息地的生物作用。為此有研究者開發(fā)出一些具有大比表面積的特殊結(jié)構(gòu)的陽極材料，如Logan等制備了石墨纖維刷電極，大大提高了MFC產(chǎn)電，但纖維之間的空間分布不均，附有微生物的纖維可能會發(fā)生粘連，使全部表面積不會都被有效利用，導(dǎo)致MFC的產(chǎn)電性能受到影響。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)越的物質(zhì)傳輸性能和大的生物附著場所，會使MFC性能大幅提高的具有三維開放結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池陽極材料。本發(fā)明的目的還在于提供一種具有三維開放結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池陽極材料的制備方法。?

本發(fā)明的具有三維開放結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池陽極材料是由納米碳、海綿、活性炭和金屬集流體構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。?

本發(fā)明的具有三維開放結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池陽極材料的制備方法為：?

(1)海綿基體的預(yù)處理?

將裁剪后的海綿基體在乙醇溶液中清洗15-20分鐘，清洗后用蒸餾水沖清干凈，在?100-110℃溫度下烘干；?

(2)采用浸漬-干燥的方法制備3D納米碳與海綿導(dǎo)電材料?

將預(yù)處理后的海綿基體在含有9000～1100mg/L的納米碳和少量表面活性劑的水溶液中超聲浸漬，然后取出清洗掉表面活性劑，再在100-110℃溫度下烘干得到具有與海綿骨架結(jié)構(gòu)相同的3D碳材料導(dǎo)電基體；?

(3)將3D碳材料導(dǎo)電基體固定到涂覆活性炭的金屬集流體上制成3D多層陽極材料?

將活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯按質(zhì)量比80：10：10的比例混合后壓制成薄膜，然后再將所述薄膜與金屬集流體壓在一起，最后將3D碳材料導(dǎo)電基體固定到涂覆活性炭的金屬集流體上，制成三維開放大孔多層結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池陽極材料。?

所述的納米碳材料為碳納米管、石墨烯，氮修飾改性的碳納米管、或者是氮修飾改性的石墨烯中的一種。?

所述的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基苯磺酸鈉。?

所述的金屬集流體為鈦網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)。?

本發(fā)明提供了一種新型的三維立體、開放大孔、多層結(jié)構(gòu)的微生物燃料電池陽極材料。該陽極材料具有連續(xù)貫通的三維大孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于基質(zhì)從各方向進(jìn)入孔內(nèi)，提供貫穿的基質(zhì)快速傳遞通道；該載體表面積大、通透性好，易掛生物膜，微生物附著量大，同時由于孔徑較大，長期運(yùn)行也不會因微生物的生長附著堵塞，耐磨損。該電極材料不僅有利于傳質(zhì)和生物大量附著，而且制作過程簡單，成本低，以該材料為陽極構(gòu)建的MFC的陽極產(chǎn)電性能大大提高、極化現(xiàn)象明顯降低，具有很大的應(yīng)用前景。?

本發(fā)明的陽極材料的多層結(jié)構(gòu)為：納米碳/海綿/活性炭/金屬集流體。從作為微生物群落的棲息地的生物作用的角度考慮，海綿作為微生物的載體更適合，而且工程應(yīng)用已多年。德國LINPOR技術(shù)就是使用高孔隙率聚氨酯泡沫海綿塊用于活性污泥工藝作為微生物的載體，該載體表面積大、通透性好，易掛生物膜，微生物附著量大，同時由于孔徑較大，長期運(yùn)行也不會因微生物的生長附著堵塞，耐磨損，大大提高了有機(jī)物的處理能力。而且，海綿的價格很低。但是海綿不導(dǎo)電，不能做電極。?