一种采用石墨片做电极的新型土壤微生物燃料电池系统及其应用方法与流程

本发明属于微生物燃料电池技术领域，涉及一种采用石墨片做电极的新型土壤微生物燃料电池系统及其应用方法。

背景技术：

环境保护与能源需求是当今社会比较关心的两大热点问题。能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，但能源开发利用造成的环境污染是导致环境问题日益严重的主要原因。但近年来,出现了利用土壤或污水中的化学能转变为人类需要的电能的燃料电池，土壤微生物燃料电池是利用土壤中微生物对土壤中有机营养物质进行分解，如化肥中的尿素、动植物的残留物、腐殖质等，再利用埋在土壤中涂布有石墨烯的石墨片进行导电,利用导线传输电流，从而产生输出功率，使照明灯发光。

微生物燃料电池输出功率小，不足以直接驱动负载工作，因此产生的电能要先经过存储和直流变换后再提供给负载。电能采集使用控制器，存储的电能作为升压元件的启动电压；储能元件采用超级电容，它的放电能力强，循环使用寿命长。

技术实现要素：

本发明旨在于提供一种采用石墨片做电极的土壤微生物燃料电池及其应用，操作方便、成本低廉，有较高的实用价值，反应条件简单，实验设备要求不高，保护环境。经石墨烯涂布的石墨片有效地提高了石墨片的导电性能，且石墨片质软、易于加工，是良好的电极材料，有利于实现商业化。

本发明采用的技术方案如下：一种采用石墨片做电极的新型土壤微生物燃料电池系统，主要由控制器（51型单片机开发板）、附锡铜导线、聚乙烯塑料盖、石墨片、光敏电阻模块（xh-m131）和植物照明灯组成；所述控制器内含蓄能器，所述石墨片涂有石墨烯，所述附锡铜导线为绝缘导线；其特征在于：所述聚乙烯塑料盖上有小孔，放置在石墨片上端，石墨片通过聚乙烯塑料盖上的小孔用附锡铜导线连接控制器，控制器通过另一根附锡铜导线和光感控制器连接，光感控制器和植物照明灯连接，在所述聚乙烯塑料盖和石墨片接触的缝隙处用ab胶密封。

进一步的，所述石墨片，长度为10-500mm之间，宽度为长度5-100mm，厚度为5-10mm，每100mg石墨烯可以涂布2㎡石墨片。

进一步的，所述控制器里面有电荷泵，将阳极收集电子储存起来；再经控制系统放电，点亮植物生长灯。

进一步的，所述控制器可以人为控制，也可以由光传感器自动控制，在光线差的时候点亮补光灯或者土壤传感器。

一种采用石墨片做电极的新型土壤微生物燃料电池系统的应用方法，其特征在于：方法步骤如下：

（1）取石墨烯100㎎，加150ul粘合剂以及600ul去离子水，超声30min；再用处理好的石墨烯对石墨片进行涂布，约每100mg石墨烯可以涂布2㎡石墨片；通风干燥24h后即可组装到土壤微生物燃料电池中作阳极；

（2）将铜导线从长方形的聚乙烯塑料盖顶部小孔中插入，并将塑料盖盖住石墨片，使铜线与石墨片紧密接触，在塑料盖和石墨片接触的缝隙处，使用ab胶密封，以防止与石墨片接触处的铜线腐蚀，而暴露于土壤中的铜线部分将使用锡包铜以防氧化锈蚀；

（3）将石墨片埋置于表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤中，使阳极石墨片的裸露部分全部位于土壤表层以下，所述阳极石墨片固定于土壤中；

（4）将连接石墨片的铜导线的另一端连接控制器，控制器内含储能器，并将控制器固定于土壤表层；

（5）将位于土壤表面的控制器的另一端与植物照明灯用一条铜导线进行连接。打开控制器上开关时，储能器可提供电能使植物照明灯发光。

本发明的优点是：

（1）本装置使用石墨片作电极，而石墨片价格低廉、原料易得，且其质软，易加工，是良好的电极材料；

（2）装置中考虑到了埋在土壤中的铜易被腐蚀的问题，并采用了锡包铜及聚乙烯塑料盖等材料来防止铜的氧化锈蚀；

（3）结构简单，适用于工业无土栽培或者花卉培养，农业大棚与温室，或者小型家庭盆栽。石墨片和石墨烯对土壤无毒副作用，产品商业化程度高，成本低，设备运行可靠稳定，储能器可多长期充放电。能够提高农业技术自动化进程和高效农业发展。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

在图中，1-控制器，2-附锡铜导线，3-聚乙烯塑料盖，4-石墨片，5-附锡铜导线，6-光感控制器，7-植物照明灯。

具体实施方式

如图1所示，一种采用石墨片做电极的新型土壤微生物燃料电池系统，主要由控制器1、附锡铜导线、聚乙烯塑料盖3、石墨片4、光感控制器6和植物照明灯7组成；所述控制器1内含蓄能器，所述石墨片4涂有石墨烯，所述附锡铜导线为绝缘导线；其特征在于：所述聚乙烯塑料盖3上有小孔，放置在石墨片4上端，石墨片4通过聚乙烯塑料盖3上的小孔用附锡铜导线2连接控制器1，控制器1通过另一根附锡铜导线5和光感控制器6连接，光感控制器6和植物照明灯7连接，在所述聚乙烯塑料盖和石墨片接触的缝隙处用ab胶密封。

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明，但需要说明的是实施例并不构成对本发明要求保护范围的限定。

1．取石墨烯100㎎，加150ul粘合剂以及600ul去离子水，超声30min。用制好的石墨烯对石墨片进行涂布，约每100mg石墨烯可以涂布2㎡石墨片，石墨片可以由很多小石墨片串联起来。通风干燥24h后即可组装到土壤微生物燃料电池中作阳极；

2．将铜导线从长方形的聚乙烯塑料盖顶部小孔中插入，并将塑料盖盖住石墨片，使铜线与石墨片紧密接触，在塑料盖和石墨片接触的缝隙处，使用ab胶密封，以防止与石墨片接触处的铜线腐蚀，而暴露于土壤中的铜线部分将使用锡包铜以防氧化锈蚀；

3.将石墨片埋置于表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤中，使阳极石墨片的裸露部分全部位于土壤表层以下，所述阳极石墨片固定于土壤中；

4．将连接石墨片的铜导线的另一端连接控制器（内含储能器），并将控制器固定于土壤表层；

5.将位于土壤表面的控制器的另一端与植物照明灯用一条铜导线进行连接，并在线路中安装一个光感控制器。通过光感控制器对光线的感知，在阴天或夜晚时，储能器将自动提供电能使植物照明灯发光。

实施例

1．取石墨烯100㎎，加150ul粘合剂以及600ul去离子水，超声30min。用制好的石墨烯对石墨片进行涂布，约每100mg石墨烯可以涂布2㎡石墨片。石墨片规格为100mm*50mm*4mm,小石墨片可以串联起来，每套系统阳极表面积为2㎡通风干燥24h后即可组装到土壤微生物燃料电池中作阳极；

2．将铜导线从长方形的聚乙烯塑料盖顶部小孔中插入，并将塑料盖盖住石墨片，使铜线与石墨片紧密接触，在塑料盖和石墨片接触的缝隙处，使用ab胶密封，以防止与石墨片接触处的铜线腐蚀，而暴露于土壤中的铜线部分将使用锡包铜以防氧化锈蚀；

3.将石墨片埋置于表面平整、内部没有石块等杂物的湿润土壤中，使阳极石墨片的裸露部分全部位于土壤表层以下，所述阳极石墨片固定于土壤中；

4．将连接石墨片的铜导线的另一端连接控制器（内含储能器），并将控制器固定于土壤表层；

5.将位于土壤表面的控制器的另一端与植物照明灯用一条铜导线进行连接，并在线路中安装一个光感控制器。通过光感控制器对光线的感知，在阴天或夜晚时，储能器将自动提供电能使植物照明灯发光。