[發明專利]一種二氧化錳修飾碳氈陽極的方法及應用

在審

• 申請號: 202010068531.X
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111170598A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 李超;賀含悅;操家順;努爾;周康
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: C02F11/00
• 分類號: C02F11/00;C02F11/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 黃天天

本發明公開了一種二氧化錳修飾碳氈陽極的方法，通過采用溶膠?凝膠法制備MnO₂，后通過溶膠浸漬法將其修飾于碳氈陽極，并進一步將修飾的碳氈陽極應用于MFC?厭氧消化耦合系統陽極。該系統是一種污泥處理處置的新方法，不僅可以提高污泥減量的效果，而且還強化了污泥MFC?厭氧消化耦合系統的產電性能和厭氧消化性能。本發明采用溶膠?凝膠法制備了MnO₂，后通過溶膠浸漬法將其修飾于碳氈陽極電極，進一步提升了能源物質(包括電能、甲烷、VFA等)的回收和利用，尤其促進了系統電能的回收。本發明方法操作簡單，效果明顯，實現了能源的定向控制和回收利用。

技術領域

本發明公開了一種MnO₂修飾污泥MFC-厭氧消化耦合系統陽極的方法及應用，屬于新能源與環境工程技術領域。

背景技術

MFC(微生物燃料電池)是利用微生物的催化作用，對廢水中的有機物進行降解，將有機物的化學能直接轉化成電能的一種裝置。以常見的MFC為例，在陽極室，微生物(尤其是附著在電極表面上的微生物)對有機物進行厭氧氧化并降解，產生H⁺、電子和CO₂；微生物細胞內的電子通過一系列的呼吸酶傳遞給細胞外的某些蛋白質(如C型胞外細胞色素)，在通過不同的胞外電子傳遞方式傳遞到陽極表面；電子由外電路傳遞到陰極，H⁺跨過質子交換膜傳遞到陰極；在陰極表面，電子、H⁺和O₂發生還原反應，完成整個氧化還原過程。

據報道，細胞色素類物質具有儲存電子的能力，因此在陽極生物膜中充當了超級電容器的作用，使得陽極生物膜具有電化學活性。例如，細胞色素C分子結構中Mn能夠通過在還原態Mn³⁺氧化態Mn⁴⁺之間的可逆變化，實現電子的存儲及其向陽極表面的傳遞。李偉新(李偉新，殷瑤，狄夢潔，等.Mn3O4修飾陽極微生物燃料電池的產電性能[J].華東理工大學學報.2016,42(2):194-199.)等指出，使用溶膠浸漬法制備的Mn₃O₄作為陽極，MFC的最大功率密度可達0.431W/m²，相比對照組增加了93％；MFC的電荷轉移內阻降低了67％，并具有贗電容特性。Roche等(Roche I,Katuri K,Scott K.A microbial fuel cell usingmanganese oxide oxygen reduction catalysts[J].Journal of AppliedElectrochemistry.2010,40(1):13-21.)指出，MFC中碳負載的MnO₂顆粒電極的功率密度可達161mW/m²，而基準Pt/C的功率密度僅為19mW/m²。進一步研究發現，在中性pH溶液中，MnO₂能通過4-電子轉移途徑催化ORR反應的活性，具體表現為：

2MnO_x+2H⁺+2e^-→2MnO_x-1OH

2MnO_x-1OH+O₂→|(MnO_x-1OH)O_ads|2

|(MnO_x-1OH)O_ads|2+H⁺+e^-→(MnO_x-1OH)O_ads+H₂O+MnO_x

(MnO_x-1OH)O_ads+H⁺+e^-→MnO_x+H₂O