一种微生物燃料电池的阳极装置的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物燃料电池领域，具体涉及一种微生物燃料电池的阳极装置的制备 方法。
【背景技术】
[0002] 微生物燃料电池(MFC)是一类利用微生物氧化有机底物并且为电极提供电子的装 置，这类装置可以在净化可能对环境产生有害影响的有机污染物的同时提供电能，具有巨 大的经济和社会效益。
[0003] 在MFC中，微生物在阳极氧化有机底物以产生电子和质子，电子转移至阳极并且通 过与阴极室相连的电路流向阴极，阴极室包含氧化剂(例如氧），电子和质子将所述氧化剂 还原，从而产生阳极与阴极之间的电势差并驱动电流通过外部电路。
[0004] 现有MFC的阳极多采用薄膜将微生物固定在电极表面，并通过氧化还原媒介实现 电子由微生物活性中心向电极的传递，该方法的缺点之一是空间局限性较大，只能利用电 极表面几微米到几十微米的电流，另一缺点在于所使用的氧化还原媒介呈流体状态，一旦 泄露会产生二次污染，另外，现有MFC对电极所搭载的微生物的存活和增殖尚缺乏有效的调 控手段。
【发明内容】
[0005] 解决的技术问题:针对现有的微生物燃料电池阳极存在的空间局限性大、氧化还 原媒介易产生二次污染以及微生物的存活和增殖缺乏有效调控手段的缺点，本发明提供一 种微生物燃料电池的阳极装置的制备方法，该制备方法制备得到阳极装置由生物相容性聚 合物凝胶固定于电极材料表面，构成凝胶聚合物的侧链具有氧化还原媒介，用以实现电子 由微生物活性中心通过氧化还原媒介向电极材料表面的传递。
[0006] 技术方案:一种微生物燃料电池的阳极装置的制备方法，该方法的步骤如下： (1) 单体Y的制备:通过将IOmmol甲基丙烯酸溶于含有浓度为0.1mm〇l/L阻聚剂的二氯 甲烷中，再加入0.1mol二环己基碳二亚胺，搅拌30min，然后加入IOmmol胺烷基锇联吡啶氯 化盐，反应2h，进行水洗，再收集有机相并真空干燥得到单体Y，或者通过将IOmmol甲基丙烯 酰氯溶于含有浓度为O.lmmol/L阻聚剂的二氯甲烷中，在(TC下加入IOmmol的三乙胺并逐滴 加入IOmmol的羟烷基二茂铁，反应4h，过滤后用去离子水水洗，再收集有机相并真空干燥， 在水洗并干燥得到单体Y; (2) 共聚物PMBVY的制备:将2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、2-甲基丙烯丁酯、4-乙烯基 苯硼酸和单体Y按照5: 2:1:2的摩尔比溶于无水乙醇中，制成浓度为lmol/L的溶液，然后加 入IOmmol的偶氮二异丁腈，在氩气保护下将溶液升温至60°C并反应48h，将反应产物在0.1: 0.9的氯仿/乙醚混合溶剂中沉淀并收集固体产物，再将固体产物溶于去离子水并减压蒸馏 后，即得共聚物PMBVY; (3) 表面覆有石墨纤维的电极的制备:在直径或厚度为0.5-lcm的石墨棒或石墨板上通 过高分子材料热解和烧结制备厚度为0.5-lmm的石墨纤维层，即得表面覆有石墨纤维的电 极；
(4)阳极装置的制备：1)将共聚物PMBVY和载有希瓦氏菌的培养液混合，共聚物PMBVY的 质量百分比为5%，得到组分I ;2)将聚乙烯醇与无菌培养液混合，聚乙烯醇的质量百分比为 5%，得到组分II ;3)将表面覆有石墨纤维的电极放入模具中，依次加入等体积的组分I和组 分II，振动模具使两种组分混合均匀，静置15分钟待凝胶固化;4)脱去模具，将3)中处理后 的电极与电极板、基板、过滤网组合，即得微生物燃料电池的阳极装置。
[0007] 上述所述的步骤(1)中的胺烷基锇联吡啶氯化盐的化学结构式爻 其中 n=5-12。
[0008] 上述所述的步骤(1)中的羟烷基二茂铁的化学式为HO-(CH2)n-Fc,其中n=5-12。
[0009] 上述所述的单体Y的化学结构式爻
中n=5-12。
[0010] 上述所述的共聚物PMBVY的化学结构式爻 其中 a=0 · 4-0 · 5，b=0 · 1-0 · 3，c=0 · 1-0 · 2，d=0 · 1-0 · 2。
[0011] 上述所述的步骤(3)中的高分子材料为聚丙烯腈或羧甲基纤维素。
[0012] 在使用一段时间后，待凝胶中的微生物数量减少电流下降时取出电极，放入模具， 加入Imol的山梨醇溶液，离心除去微生物并通过沉淀法收集共聚物PMBVY和PVA，重复操作3 完成发电微生物的更换。
[0013] 有益效果:本发明提供的一种微生物燃料电池的阳极装置的制备方法，具有以下 优点： 1、 本发明中的共聚物PMBVY中的苯硼酸基团可以通过共价结合与PVA形成凝胶，不需要 其他交联剂，性质稳定，制备简单； 2、 本发明通过将微生物包封于聚合物凝胶中，凝胶的多孔结构保证了微生物与待处理 有机底物的充分接触，凝胶中的磷酸胆碱基团具有仿生特性，可以起到保护微生物，提高微 生物的存活率，亦可限制微生物的过量增殖，保证微生物燃料电池的长期稳定输出； 3、 本发明制备得到的阳极装置实现了电子由微生物活性中心一一电子传递媒介一一 石墨纤维--电极材料的传递链，能够有效收集远离电极表面(〇. 5-lmm)的微生物电流，空 间利用率尚； 4、 本发明制备得到的阳极装置中的电子传递媒介被束缚在聚合物侧链，避免了电子传 递媒介泄露造成的二次污染，更加环保和安全； 5.本发明中的PMBVY-PVA凝胶体系可通过加入和除去山梨醇而可逆溶解-凝胶，从而实 现在不破坏电极整体结构的前提下更换微生物，实现了材料的循环使用，方便维护。
【具体实施方式】
[0014] 以下实施例中所使用的胺烷基锇联吡啶氯化盐购于Sigma Aldrich，羟烷基二茂 铁购于东京化成(TCI)。
[0015] 实施例1 一种微生物燃料电池的阳极装置的制备方法，该方法的步骤如下： (1) 单体Y的制备:通过将IOmmol甲基丙烯酸溶于含有浓度为O.lmmol/L阻聚剂的二氯 甲烷中，再加入0.1mol二环己基碳二亚胺，搅拌30min，然后加入胺烷基锇联吡啶氯化盐，反 应2h，进行水洗，再收集有机相并真空干燥得到单体Y; (2) 共聚物PMBVY的制备:将2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、2-甲基丙烯丁酯、4-乙烯基 苯硼酸和单体Y按照5: 2:1:2的摩尔比溶于无水乙醇中，制成浓度为lmol/L的溶液，然后加 入IOmmol的偶氮二异丁腈，在氩气保护下将溶液升温至60°C并反应48h，将反应产物在0.1: 0.9的氯仿/乙醚混合溶剂中沉淀并收集固体产物，再将固体产物溶于去离子水并减压蒸馏 后，即得共聚物PMBVY，将共聚物PMBVY溶于去离子水并减压蒸馏除去有机溶剂； (3) 表面覆有石墨纤维的电极的制备:在直径为0.5cm的石墨棒表面涂覆Imm的聚丙稀 腈，在马弗炉中600°C预烧结至聚丙烯腈碳化，进而转入电弧炉中在2400Γ烧结2h，使碳化 的聚丙烯腈纤维石墨化，即得表面覆有石墨纤维的电极； (4)