[發明專利]一種基于二硫化鉬復合材料作為陽極的微生物燃料電池

有效

• 申請號: 201910973460.5
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN110729487B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 陳妹瓊;郭文顯;張燕;張敏;程發良
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院城市學院;東莞理工學院
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M8/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 羅曉林

一種基于二硫化鉬復合材料作為陽極的高性能微生物燃料電池，為最大裝液體積均為20mL的陽極室和陰極室、采用三明治式結構的雙室微生物燃料電池，兩室之間采用陽離子交換膜隔開。本發明通過MoS₂納米材料的修飾使得碳材料電化學性能顯著提升，經雙室微生物燃料電池測試表明，MoS₂納米材料的修飾使基于碳布作為陽極的MFCs的內阻降低43%，功率提高60%，平均庫倫效率是空白碳布為陽極MFCs的2.86倍；導電聚合物的復合可以進一步提高MoS₂/碳布電極材料的導電性，降低電荷轉移電阻，提高電催化活性，整個發明基于二硫化鉬復合材料陽極價格低廉，制備簡單、容易批量生產，可大大降低微生物燃料電池的運行成本。

技術領域

本發明涉及一種微生物燃料電池，具體為一種基于二硫化鉬復合材料作為陽極的高性能微生物燃料電池。

背景技術

微生物燃料電池（MFCs）技術是一種新型的既能處理含有有機污染物的廢水，又能同時回收能量的新型裝置。其基本原理是在陽極室，用微生物作為催化劑，在厭氧的條件下分解有機物，把產生的電子通過外電路傳出去，所產生的質子通過離子交換膜傳到陰極室，在陰極，氧化劑（電子受體）與到達的電子和質子反應生成還原產物。因為其具有良好的社會經濟效益，成為近年來的研究熱點。

然而，目前該類電池輸出功率密度較低，限制了其廣泛應用。其中，陽極既是微生物附著的載體，又是負責把電子傳遞出去的集流體，陽極材料對MFCs功率輸出等性能起到至關重要的作用。開發具有良好電催化性能、比表面積大、電導率高、且生物相容性好的陽極材料，是提高MFCs輸出功率密度的主要策略之一。

碳材料因為具有良好的導電性，來源廣泛，成本低，等優點，是常用的陽極材料，然而碳元素具有較高的表面能態，容易因為失去電子表現還原性，電子如果直接躍遷到碳材料的表面需要較高的能量，從而造成陽極的活化過電勢較大，且單純的碳材料，其生物相容性往往較差。因此，通過對碳材料的表面進行各種處理、修飾不同的納米材料，以增大陽極比表面積和降低能態，可以減少活化過電勢等，從而對功率的提高有積極作用。

發明內容

本發明需解決的問題是提供一種基于二硫化鉬復合材料作為陽極的高性能微生物燃料電池，采用二硫化鉬納米材料修飾碳材料作為微生物燃料電池復合陽極，來提高微生物燃料電池的輸出功率密度。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于二硫化鉬復合材料作為陽極的高性能微生物燃料電池，采用包括陽極室和陰極室的三明治式雙室結構，且陽極室和陰極室之間采用陽離子交換膜隔開；

所述陰極室內存放陰極液，浸放在陰極液中的陰極為碳紙或碳布；

所述陽極室內存放陽極液，浸放在陽極液中的陽極為二硫化鉬/碳布，或導電聚合物/二硫化鉬/碳布 (在此，“/”是指復合材料中兩種不同物質之間存在的界面，如“二硫化鉬/碳布”，表示二硫化鉬長在碳布上，“導電聚合物/二硫化鉬/碳布，表示二硫化鉬生長在碳布上，且導電聚合物負載在二硫化鉬上。)

其中，存放在陰極室的陰極液為pH為中性的PBS緩沖溶液（10.0 g/L碳酸氫鈉、11.2g/L磷酸氫二鈉）中含有50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]。

陽極為二硫化鉬/碳布，或導電聚合物/二硫化鉬/碳布，陽極室內存放陽極液。陽極液為pH為中性的PBS緩沖溶液（10.0 g/L碳酸氫鈉、11.2g/L磷酸氫二鈉）中含有10.0 g/L無水葡萄糖和5 g/L酵母浸膏以及0.8707 g/L的2-羥基-1,4-萘醌（HNQ）。所述導電聚合物為二硫化鉬/碳布上還復合聚苯胺、聚吡咯、或者聚噻吩。一般情況下，陽極室和陰極室最大裝液體積均為20 mL。

進一步地，二硫化鉬復合陽極的制備方法如下：：

S1：把市售碳布依次用丙酮，乙醇，去離子水各超聲清洗半小時之后烘干備用；