[發明專利]炭化蠶繭材料用作微生物燃料電池陽極的用途

在審

• 申請號: 201610037338.3
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN106976856A
• 公開（公告）日: 2017-07-25
• 發明（設計）人: 閭敏;謝小吉;錢翊鈞;黃維
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于電池及其應用領域，具體涉及一種炭化蠶繭材料用作微生物燃料電池陽極電極材料的用途。

背景技術

微生物燃料電池，是一種以電活性微生物為催化劑，通過微生物分解有機物將廢水中生物質能直接轉化為電能的新型燃料電池系統。該種電池具有清潔環保等優點，在實際污水處理與污水發電中具有很大的應用前景。但是相比于其他燃料電池以及其他污水處理方法，微生物燃料電池的產電性能較低，制備成本較高，難以投入實際應用。其中就陽極材料一方面受限于其與電活性微生物的生物相容性以及電子傳遞動力學表現，其產電性能較低，另一方面則由于陽極材料的成本居高不下。因此，尋求高生物相容性且成本低廉的陽極是目前研究的一個重要方向。

常規的陽極材料主要分為碳基材料跟金屬基材料。其中，金屬基材料具有優越的導電性能和更加優異的機械強度，但是容易受到腐蝕影響。碳基材料具有相對較好的生物相容性，研究者們對碳基陽極材料做了大量工作。通過材料復合，表面修飾改性等方法，提高了碳基材料在微生物燃料電池陽極上的應用。但是，這些方法大多處理成本較高，工藝步驟較為復雜，過程控制要求較高，極大提高了電極的制作成本。因此開發一種高效，低成本的陽極，對微生物燃料電池的制作以及產業化應用的擴展具有重大意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種碳化蠶繭材料用作微生物燃料電池陽極的用途。該用途能夠提高微生物燃料電池的生物相容性，從而提升電池產電性能，同時降低生產成本。

一種炭化蠶繭材料用作微生物燃料電池陽極的用途，所述的炭化蠶繭材料是有蠶繭在無氧條件下高溫炭化獲得的。

所述的無氧條件通過惰性氣體氣氛獲得，煅燒溫度在400-900℃，煅燒時間在2-6小時。

所述的炭化蠶繭的制備方法具體如下：

(1)將完整蠶繭至于沸騰的碳酸鹽溶液中進行脫膠處理15-20min，碳酸鹽溶液濃度為0.5-2g/L，待脫膠處理完全后，用去離子水反復清洗脫膠蠶繭多次，直至溶液pH值顯示為中性。

(2)將未經任何處理的蠶繭或步驟(1)脫膠處理的完整蠶繭置于管式爐中，惰性氣氛下以2-4℃/min，勻速升溫至400-900℃，恒溫2-6小時，待管式爐溫度自行冷卻到50℃以下后取 出，得到碳化蠶繭和炭化脫膠蠶繭；

(3)以金屬絲傳統固定炭化蠶繭和炭化脫膠蠶繭，用作微生物燃料電池陽極。

本發明的優點在于電池陽極具有較好的生物相容性和動力學表現，能夠顯著的提高微生物燃料電池的產電性能，同時由于其制備方法簡單，降低了微生物燃料電池的成本，易于實現產業化。

附圖說明

圖1為本發明實施例1-4的微生物燃料電池構型。

圖2為本發明實施例1-3的輸出功率與電流強度曲線圖。

圖3為本發明實施例4的輸出功率與電流強度曲線圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述，但本發明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數，可參照常規技術進行。

實施例1：

(1)陽極制備：將蠶繭直接放入帶有瓷舟的石英爐管中，在氮氣氣氛下以2℃/min勻速升溫至900℃，恒溫2小時，待管式爐溫度自行冷卻到室溫后取出，得到碳化后蠶繭。用分析天平稱量碳化蠶繭質量為0.08g，并用鈦絲穿過炭化蠶繭用作微生物燃料電池陽極。

(2)電池組裝：本實施例中采用單室微生物燃料電池構型，如圖1所示，1為陽極，2為陰極，3，4，5為有機玻璃部件，通過6中的螺栓連接固定形成單室微生物燃料電池構型，7為電化學工作站或用電裝置。本實施例中，陽極腔室容積28mL，炭化蠶繭置于陽極腔室，陰極采用負載鉑催化劑的碳布材料，以1g/L的醋酸鈉溶液(50mM磷酸緩沖液)為陽極底物溶液。陰極制備方法如下：1)將30％疏水的碳布在無水乙醇溶液中超聲30min后用去離子水洗凈；2)用烘箱烘干以后，在碳布一側噴涂20％聚四氟乙烯乳液用作氣體擴散層(5mg/cm^-2)，并在馬弗爐內350-370℃固化30min；3)取出后在碳布另一側噴涂上Pt/C催化劑(0.8mg/cm^-2)，以相同方式在馬弗爐內固化。電池組裝完成后以市政污水中活性污泥作為接種源，加入陽極底物溶液，在外電路中接上1000Ω的電阻，電壓穩步上升至穩定，電池啟動成功。