[發(fā)明專利]一種利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備MFC電極材料及其電化學(xué)性能

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710933076.3
• 申請(qǐng)日: 2017-10-10
• 公開（公告）號(hào): CN107732256A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張頔;孔勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 常州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/96;H01M4/88;H01M8/16;C01B32/324;C01B32/348
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯作為原料制備多孔碳電極材料。

背景技術(shù)

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年玉米總產(chǎn)量多達(dá)2.2億t，副產(chǎn)玉米芯在0.4億t左右。盡管玉米芯成本低廉、資源豐富，卻得不到合理的利用，大部分最終被當(dāng)做農(nóng)業(yè)廢棄物處理。在原材料成本迅速提高和能源需求量持續(xù)增長的現(xiàn)在，我國能源利用卻存在著技術(shù)落后，利用率低下，結(jié)構(gòu)不合理等問題。我國正面臨著能源枯竭與高成本材料的雙重“阻擊”。如何找到一種成本低廉又可緩解能源枯竭現(xiàn)狀的新材料是目前國內(nèi)外研究熱門。

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用微生物氧化有機(jī)物，從而將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，目前已被廣泛關(guān)注。MFC中固態(tài)載體電極表面生長著電活性生物膜，既能向胞外輸出微生物氧化有機(jī)污染物產(chǎn)生的電子，又可直接接受環(huán)境中電子，在電極表面及附近發(fā)生電子傳遞過程，將生物能轉(zhuǎn)化成電能。可以解決國際上研究熱點(diǎn)的能源問題。

影響MFC產(chǎn)電性能的主要因素包括：反應(yīng)器構(gòu)型、電極材料、產(chǎn)電微生物種類數(shù)量、電極表面生物膜等。目前對(duì)微生物燃料電池(MFCs)的研究中多使用碳材料作為電極。如公開號(hào)CN101645515公布的一種微生物燃料電池及其制備方法和應(yīng)用，發(fā)明人采用表面電沉積有聚吡咯和蒽醌-2，6-二磺酸鈉的碳?xì)肿鲫枠O，陰極則由碳納米管、聚四氟乙烯和伽馬-堿性氧化鐵組成，其存在能耗高、制作成本高、工藝復(fù)雜等問題。

本發(fā)明電極原料為我國農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯，其每年的產(chǎn)量可觀，成本便宜，且目前對(duì)于玉米芯的商業(yè)用途很少，選用玉米芯即做到了廢棄物二次利用又符合生態(tài)和諧發(fā)展的需要。

在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，電極的電化學(xué)活性可以作為衡量MFCs產(chǎn)電性能好壞的重要指標(biāo)。本發(fā)明電極——多孔碳-PTFE泡沫鎳電極因其改性后具有高比表面積和高密度局域電荷而能有效提高電極的電化學(xué)活性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)中存在的不足，提供一種成本低廉、制備簡單、產(chǎn)能高效，并能運(yùn)用到微生物燃料電池裝置實(shí)施持續(xù)產(chǎn)能的新型電極材料。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種新型多孔碳-PTFE泡沫鎳電極，主要包括：農(nóng)業(yè)廢棄物脫水玉米芯、導(dǎo)電劑乙炔黑、粘結(jié)劑聚四氟乙烯(1％PTFE乳液)和泡沫鎳等。主要用到的試劑有：無水乙醇、聚四氟乙烯(PTFE乳液)、實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q去離子水、2.5％戊二醛、六甲基二硅胺烷、乙腈(HPLC級(jí))、磷酸緩沖液、1％四氧化鋨、環(huán)氧丙烷、Epon812包埋劑等。

農(nóng)業(yè)廢棄物多孔碳材料的制備：選農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯作為制備多孔碳的原料。玉米芯經(jīng)自然風(fēng)干、人工破碎后于高純N₂氣氛下管式爐內(nèi)反應(yīng)，進(jìn)行碳化。后依次用HCl、HF浸泡，洗滌至中性，干燥后選擇KOH作為活化劑。將KOH與炭化產(chǎn)物混合于高純N₂氣氛下管式爐內(nèi)進(jìn)行活化反應(yīng)，后依次經(jīng)酸洗水洗至中性、干燥。

上述碳化加熱速率為10℃/min，溫控為400℃，反應(yīng)時(shí)間0.5h，進(jìn)行碳化?；罨瘯r(shí)選擇活化比例2:1，反應(yīng)溫度800℃，時(shí)間1h制得最優(yōu)性質(zhì)的多孔碳。上述HCl和HF濃度分別為5wt％和3wt％，浸泡時(shí)間6h，干燥溫度80℃。

電極材料的制備：多孔碳研磨細(xì)致后與導(dǎo)電劑乙炔黑和粘結(jié)劑聚四氟乙烯(1％PTFE乳液)混合均勻，轉(zhuǎn)移至無水乙醇中，超聲分散處理5min真空干燥箱100℃下蒸干取出，經(jīng)壓輥機(jī)碾壓(壓力15Mpa時(shí)間1min),100℃干燥2h。將干燥后的混合物樣品剪成合適大小，用無水乙醇潤濕涂抹在干凈的泡沫鎳上干燥后一并放在粉末壓片機(jī)上碾壓成薄片，(壓力10Mpa，時(shí)間1min)即得多孔碳修飾電極材料。多孔碳、乙炔黑和聚四氟乙烯(1％PTFE乳液)混合質(zhì)量比為8:1:1。

MFC反應(yīng)器接種的污泥取自城市污水處理廠厭氧污泥，加入自制的營養(yǎng)基。營養(yǎng)基在通入反應(yīng)器之前均先爆入N₂每24h補(bǔ)充一次。所述營養(yǎng)液含量與成分為0.5g/L NH₄Cl，0.1g/L NaCl，0.1g/L MgCl₂·6H₂O，13g/L Na₂HPO₄·12H₂O，1.48g/L KH₂PO₄。