专利名称：一种生物电化学系统的电极及其制备方法
技术领域：
本发明属于废水处理及绿色能源领域。涉及生物电化学系统，具体涉及一种生物电化学系统的电极及制备方法。
背景技术：
生物电化学系统是利用微生物的新陈代谢作用，将有机物中的化学能转化为其他形式的绿色能源如电能、氢能的体系。微生物的新陈代谢过程实质上是有机物的氧化还原过程。在该体系的阳极部分，微生物摄取有机小分子，将其分解代谢并放出电子，同时产生质子；产生的电子或质子通过不同的外电路设置生成电能或氢能。生物电化学系统作为一种新兴的“绿色”能源生产装置，在污水处理、生物质发电，生物制氢、无线监控设备的电源、生物传感器、重金属回收等众多领域显示出潜在的应用前景。在生物电化学系统中，产能效率很大程度上取决于电极材料的性能:是否利于微生物附着、孔隙结构是否利于微生物与环境间的传质、导电性能是否良好以利于电子传输、是否有优越的机械性能以便于大规模应用等。常规的生物电化学系统电极，多以碳毡、石墨等材料制作。这些材料具有很好的生物相容性，但也存在问题:1、由于材料本身的内阻较大，目前使用的电极/导线连接方式对生物产生的电子的收集能力差，微生物产生的电能不能完全被收集利用；2、碳毡、石墨等材料的机械性能较差，在实际应用过程中，容易损耗；3、生物电化学系统电极材料缺少规范的制备方法，导致制作效率低下，不利于规模化生产。生物电化学系统的电极需要提供良好的微生物附着位点以利于微生物生长，同时要保证电极制作技术的简单化、标准化，以利于最终的商品化及产业化，因此，开发一种廉价高效、机械性能好、制作过程简单规范的生物电化学系统电极是非常有必要的。
发明内容
技术方案:本发明的目的是提供一种生物电化学系统电极的制备方法，将碳毡通过导电粘结剂粘附到不锈钢网上，改善了电极的电子收集能力，使得应用该电极的生物电化学系统获得更高的电流产出。具体的运用方法:
一种生物电化学系统电极，由导电混料、导电粘结剂和不锈钢网构成。所述生物电化学系统电极，其导电混料为碳毡或碳布、碳纸、活性炭、高温碳化材料、石墨材料、金属板、金属粉末、金属氧化物粉末中的一种或多种。所述生物电化学系统电极，其导电粘结剂为环氧树脂、聚酰胺与导电碳黑的混合物，环氧树脂与聚酰胺的质量比为1:0.5-3，环氧树脂与导电碳黑的质量比为1:0.1-20。所述生物电化学系统电极，其制备方法为:将粉末状导电碳黑置于容器中，加入等体积的乙醇，超声混合，使炭黑充分分散在乙醇中。
所述生物电化学系统电极，其制备方法为:取相同质量的环氧树脂与聚酰胺，将二者混合。所述生物电化学系统电极，其制备方法为:将分散于乙醇中的导电碳黑与环氧树脂-聚酰胺混合，搅拌均匀，制成导电粘结剂。所述生物电化学系统电极，其制备方法为:将导电粘结剂涂覆在不锈钢网上，得到厚度均匀的导电粘结层。所述生物电化学系统电极，其制备方法为:将碳毡覆盖到涂覆有导电粘结剂的一面，压实，使碳毡、导电粘结层、不锈钢网三层之间紧密接触。所述生物电化学系统电极，其制备方法为:将导电粘结剂涂覆到不锈钢网的另一侧，并重复上述步骤中与处理导电粘结层相同的操作。所述生物电化学系统电极，其制备方法为:将通过上述方法制得的电极风干，即可制得生物电化学系统电极。有益效果:该制备工艺提供了一种生物电化学系统电极的制备方法，在粘结层中加入了导电碳黑，减小了碳毡与不锈钢网之间的电阻；以不锈钢网作为电极的电子收集体，提高了收集生物电化学系统中所产生电子的能力，将以本方法制备的电极安置在生物电化学系统中后，可获得比普通碳毡电极更高的电流强度；以不锈钢网为电极的中心夹层，提高了该电极的机械强度。该生物电化学系统电极制作方法具有设计简单，可操作性强，成本低廉等优点，有利于实现污水处理资源化，降低污水处理成本，适用于标准化的大规模生产。
图1是本发明的电极结构示意图。图中标示从上至下分别为:1_碳毡层、2-导电粘结层、3-不锈钢网层、4-导电粘结层、5-碳毡层。图2是以本发明具体实施方式
制备的生物电化学系统电极与普通碳毡电极的电流-时间曲线图。
具体实施例方式本发明提供了一种生物电化学系统电极的制备方法，由碳毡层、导电粘结层、不锈钢网、导电粘结层、碳毡层五部分叠加构成，以下结合附图对具体实施方式
加以说明。实施例1:
一种所述生物电化学系统电极的制备方法，步骤如下:
1)将2g粉末状(比表面积为500m2/g)导电碳黑置于容器中，加入40ml无水乙醇将其浸没，在30°C温度下超声、搅拌30min，使导电碳黑充分分散在无水乙醇中；
2)将4g环氧树脂与4g聚酰胺搅拌5min,使其混合均勻；
3)将导电碳黑的无水乙醇悬浮液倒入环氧树脂与聚酰胺的混合物中，充分搅拌形成均匀的混合物，即为导电粘合物；
4)将所得到的导电粘合物均匀涂覆在大小为4X4cm的不锈钢网上，涂层厚度为1mm，其中不锈钢网为该电极的导电骨架；
5)将大小为4X4cm的碳毡覆盖在涂覆了导电粘合物的不锈钢网上；
6)在不锈钢网的另一面涂覆导电粘合物，涂层厚度为Imm； 7)将大小为4X4cm的碳毡覆盖在涂覆了导电粘合物的不锈钢网上；
8)将制备好的电极用夹子夹紧，室温条件下待其自然风干，即可制得生物电化学系统电极。该电极应用时根据生物电化学系统结构尺寸选择合适大小的不锈钢网及碳毡即可。将制备好的电极置于三电极电化学池，测试所制备电极的性能，工作电极为所制备电极，以等面积的碳毡为对电极，Ag/AgCl (3M KCl)为参比电极；同时以普通碳毡为工作电极设置三电极对照体系，工作电极电势设置为0.3V (vs Ag/AgCl);电解液为含25mM乙酸钠的人工废水，按10%比例接种电化学活性微生物，接种完毕后温度控制在32°C，以Maccor电池测试系统记录电流信号。经过25h培养后，按本发明制备的电极电流最高可到44mA，而普通碳租产生的最大电流仅为IOmA左右(图2)。
权利要求
1.一种生物电化学系统电极，其特征在于:由导电混料、导电粘结剂和不锈钢网构成，如图1。
2.如权利要求1所述的电极，其特征在于:所述的导电混料为碳毡以及碳布、碳纸、活性炭、高温碳化材料、石墨材料、金属板、金属粉末、金属氧化物粉末中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的电极，其特征在于:所述的导电粘结剂为环氧树脂、聚酰胺与导电碳黑三者的混合物。
4.如权利要求1所述的电极，其特征在于:所述的导电粘结剂中，环氧树脂与聚酰胺的质量比为1:0.5-3,环氧树脂与导电碳黑的质量比为1:0.1-20。
5.如权利要求1所述生物电化学系统电极的制备方法，其特征在于步骤如下: 1).将粉末状导电碳黑置于容器中，加入等体积的乙醇，超声、搅拌，使炭黑充分分散在乙醇中； 2).取相同质量的环氧树脂与聚酰胺，将二者混合； 3).将上述二者混合，并搅拌均匀，即为导电粘结剂； 4).将上述导电粘结剂涂覆在不锈钢网上，得到厚度均匀的导电粘结层； 5).将碳毡覆盖到涂覆有导电粘结剂的一面，压实，使碳毡、导电粘结层、不锈钢网三层之间密切接触； 6).将导电粘结剂涂覆到不锈钢网的另一侧，并重复步骤4、5； 7).风干固化导电粘结层。
全文摘要
本发明公开一种生物电化学系统的电极及其制备方法，以廉价的碳毡、环氧树脂、聚酰胺、导电碳黑及不锈钢网为原料，采用叠加法制备；其制备方法是将导电碳黑与环氧树脂、聚酰胺在无水乙醇中混合，经过超声处理使其分散均匀形成导电胶。将导电胶涂覆在不锈钢网上，作为导电粘结层，再将碳毡覆盖于其上。通过自然风干或烘干使导电粘结层固化，形成生物电化学系统的电极。本发明的优点是以不锈钢网作为骨架，一方面提高了电极的机械性能，另一方面减小了电极的电阻；本方法中所利用的材料成本低廉，来源广泛，制得的电极结实耐用，导电性能得到显著提高，且其制作过程简单，适于标准化的大规模生产。
文档编号B32B3/24GK103199266SQ20131008268
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者赵峰, 王鲁, 吴义诚, 王泽杰 申请人:中国科学院城市环境研究所