[發明專利]一種應用于微生物燃料電池改性石墨氈電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201711358303.0
• 申請日: 2017-12-17
• 公開（公告）號: CN108172841B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 姚佳斌;陳守文;周新星;胡朝霞;徐韞致;堵寧杰;梅曉杰
• 申請（專利權）人: 上海傲江生態環境科技有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;H01M4/96;H01M8/16
• 代理公司: 上海精晟知識產權代理有限公司 31253
• 代理人: 肖愛華

本發明公開一種應用于微生物燃料電池的PANI/β?MnO₂納米復合材料改性石墨氈電極及其制備方法。首先利用水熱反應制備的β?MnO₂納米棒，通過聚合反應在其表面生成聚苯胺，得到納米棒狀的復合材料。將PANI/β?MnO₂分散在PVDF中，在常溫下超聲處理后，涂覆在石墨氈表面，烘干后的到PANI/β?MnO₂納米復合材料改性石墨氈電極。采用該方法進行制備石墨氈電極，一方面提高了電極的比表面積，增加了電極表面的催化活性位點；另一方面由于聚苯胺導電作用，有利于陰極電子的傳遞，降低MFC的歐姆阻抗。利用該方法制備的石墨氈電極在微生物燃料電池中顯示出較好的產電性能、較強的動力學活性。

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池領域，具體涉及一種改性石墨氈電極材料。

背景技術

微生物燃料電池(MFC)是一種利用微生物將底物中的化學能直接轉化為電能的理想產電裝置,具有產電與廢棄物處置雙重功效。溶氧陰極MFC直接以氧氣為電子受體，是公認的最有應用前景的構型之一。陰極材料，特別是氧氣還原(ORR)催化劑，成為MFC應用的關鍵因素之一。目前MFC的陰極催化劑存在價格昂貴、制備過程復雜以及長期穩定性差等問題，制約了其規?；瘧?。因此，通過簡單經濟的方法制備低成本、高性能、易放大生產的ORR催化劑，成為MFC主要研究方向之一。

納米結構的β-MnO₂擁有高的比表面積和豐富的活性位點，表現出快的電動力學和優秀的催化活性，且其制備過程相對簡單，是材料、電化學領域的熱點之一。

文獻1(Lixia Zhang等.Biosensors and Bioelectronics,2009,24:2825-2829.)中報道了一種以β-MnO₂作為陰極催化劑來改性微生物燃料電池，最大功率密度達到172±7mW/m²。

文獻2(Clauwaert P等.Environ Sci Technol,2007,41(21):7564–7569.)中將β-MnO₂作為陰極催化劑，使得MFC的啟動時間比未修飾的縮短了30％。

但是，上述文獻所報道的合成方法及應用存在以下缺陷：

(1)如文獻1、2其制備出的β-MnO₂改性電極雖然提高了MFC的功率輸出，但是其總的功率密度仍然較低。

(2)β-MnO₂雖然具有快的電動力學和優秀的催化活性，但是其本身較差的電導性限制了MFC產電性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種應用于微生物燃料電池的改性石墨氈電極，改性石墨氈電極具有很好的微生物燃料電池產電性能，并且具有活性高、易回收、穩定性好等優點。為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種應用于微生物燃料電池的PANI/β-MnO₂納米復合材料改性石墨氈電極，將采用水熱反應和聚合反應制得的PANI/β-MnO₂納米復合材料，通過與聚偏氟乙烯(PVDF)在常溫下超聲之后，烘干粘結負載在石墨氈載體表面。

其中PANI/β-MnO₂的負載量為2.2-6mg cm^-2。

上述的PANI/β-MnO₂通過如下方式負載在石墨氈載體上具體步驟如下：

(1)水熱反應法制備β-MnO₂納米棒；

(2)以β-MnO₂納米棒為氧化劑和模板劑，硫酸苯胺為原材料，通過聚合反應得到PANI/β-MnO₂納米復合材料；