[發明專利]一種采用石墨片做電極的新型土壤微生物燃料電池系統及其應用方法

在審

• 申請號: 201710421230.9
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107221694A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 張凱旋;溫珍海;盧戀月;蘇曉明;陳思
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/96
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所36111
• 代理人: 張榮

技術領域

本發明屬于微生物燃料電池技術領域，涉及一種采用石墨片做電極的新型土壤微生物燃料電池系統及其應用方法。

背景技術

環境保護與能源需求是當今社會比較關心的兩大熱點問題。能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎，但能源開發利用造成的環境污染是導致環境問題日益嚴重的主要原因。但近年來,出現了利用土壤或污水中的化學能轉變為人類需要的電能的燃料電池，土壤微生物燃料電池是利用土壤中微生物對土壤中有機營養物質進行分解，如化肥中的尿素、動植物的殘留物、腐殖質等，再利用埋在土壤中涂布有石墨烯的石墨片進行導電,利用導線傳輸電流，從而產生輸出功率，使照明燈發光。

微生物燃料電池輸出功率小，不足以直接驅動負載工作，因此產生的電能要先經過存儲和直流變換后再提供給負載。電能采集使用控制器，存儲的電能作為升壓元件的啟動電壓；儲能元件采用超級電容，它的放電能力強，循環使用壽命長。

發明內容

本發明旨在于提供一種采用石墨片做電極的土壤微生物燃料電池及其應用，操作方便、成本低廉，有較高的實用價值，反應條件簡單，實驗設備要求不高，保護環境。經石墨烯涂布的石墨片有效地提高了石墨片的導電性能，且石墨片質軟、易于加工，是良好的電極材料，有利于實現商業化。

本發明采用的技術方案如下：一種采用石墨片做電極的新型土壤微生物燃料電池系統，主要由控制器（51型單片機開發板）、附錫銅導線、聚乙烯塑料蓋、石墨片、光敏電阻模塊（XH-M131）和植物照明燈組成；所述控制器內含蓄能器，所述石墨片涂有石墨烯，所述附錫銅導線為絕緣導線；其特征在于：所述聚乙烯塑料蓋上有小孔，放置在石墨片上端，石墨片通過聚乙烯塑料蓋上的小孔用附錫銅導線連接控制器，控制器通過另一根附錫銅導線和光感控制器連接，光感控制器和植物照明燈連接，在所述聚乙烯塑料蓋和石墨片接觸的縫隙處用AB膠密封。

進一步的，所述石墨片，長度為10-500mm之間，寬度為長度5-100mm，厚度為5-10mm，每100mg石墨烯可以涂布2㎡石墨片。

進一步的，所述控制器里面有電荷泵，將陽極收集電子儲存起來；再經控制系統放電，點亮植物生長燈。

進一步的，所述控制器可以人為控制，也可以由光傳感器自動控制，在光線差的時候點亮補光燈或者土壤傳感器。

一種采用石墨片做電極的新型土壤微生物燃料電池系統的應用方法，其特征在于：方法步驟如下：

（1）取石墨烯100㎎，加150uL粘合劑以及600uL去離子水，超聲30min；再用處理好的石墨烯對石墨片進行涂布，約每100mg石墨烯可以涂布2㎡石墨片；通風干燥24h后即可組裝到土壤微生物燃料電池中作陽極；

（2）將銅導線從長方形的聚乙烯塑料蓋頂部小孔中插入，并將塑料蓋蓋住石墨片，使銅線與石墨片緊密接觸，在塑料蓋和石墨片接觸的縫隙處，使用AB膠密封，以防止與石墨片接觸處的銅線腐蝕，而暴露于土壤中的銅線部分將使用錫包銅以防氧化銹蝕；

（3）將石墨片埋置于表面平整、內部沒有石塊等雜物的濕潤土壤中，使陽極石墨片的裸露部分全部位于土壤表層以下，所述陽極石墨片固定于土壤中；

（4）將連接石墨片的銅導線的另一端連接控制器，控制器內含儲能器，并將控制器固定于土壤表層；

（5）將位于土壤表面的控制器的另一端與植物照明燈用一條銅導線進行連接。打開控制器上開關時，儲能器可提供電能使植物照明燈發光。

本發明的優點是：

（1）本裝置使用石墨片作電極，而石墨片價格低廉、原料易得，且其質軟，易加工，是良好的電極材料；

（2）裝置中考慮到了埋在土壤中的銅易被腐蝕的問題，并采用了錫包銅及聚乙烯塑料蓋等材料來防止銅的氧化銹蝕；

（3）結構簡單，適用于工業無土栽培或者花卉培養，農業大棚與溫室，或者小型家庭盆栽。石墨片和石墨烯對土壤無毒副作用，產品商業化程度高，成本低，設備運行可靠穩定，儲能器可多長期充放電。能夠提高農業技術自動化進程和高效農業發展。

附圖說明

圖1是本發明的裝置示意圖。

在圖中，1-控制器，2-附錫銅導線，3-聚乙烯塑料蓋，4-石墨片，5-附錫銅導線，6-光感控制器，7-植物照明燈。

具體實施方式