专利名称：微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法
技术领域：
本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及在微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法。
背景技术：
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是属于生物质能的一种，具有原料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好、在产生电能的同时进行废水处理独特优势，成为全球可再生能源研究者关注的热点。然而，由于目前微生物燃料电池产生的电能较低，人们正在努力去突破限制它产能低的因素。由于阳极材料是生物膜的附着基体，它的特性与生物膜氧化有机底物的速率密切相关，因此，阳极材料就成为了一种很重要的限制因素。同时，研究发现，阳极材料的修饰能够很大程度上提升电池的性能，所以，寻找一种低成本、高效率的修饰方法就具有十分重要的意义。目前，对于阳极材料的修饰主要有以下几种方法:①.通过物理方式修饰。例如:改变电极表面的粗糙度，使细菌更容易的附着；改变电极表面的亲疏水程度，使细菌在电极上生物膜的厚度不同；或者高温处理改变电极表面的极性和通过电极表面包裹各种金属元素，改变电池的内阻。②.通过化学方式修饰。例如:用硝酸或者是氢氧化钠处理。③.通过高分子聚合物的修饰提升微生物燃料电池的性能。④.通过电化学沉积的方式，改变细菌在电极上面的反应速率等。但是，在上面的这些处理方法中，用化学方式修饰后对性能提升的程度并不是很高，而用高温热处理则相对比较耗能，用高分子聚合物修饰时，会使得电极本身的导电性发生改变，同时这种预处理方式也是比较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供综合利用电化学和化学手段对微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法，其特征在于:包括以下步骤:A.阳极基体预处理:将微生物燃料电池的阳极基体放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将阳极基体全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入65°C 85°C烘箱烘干备用；B.对经过预处理的阳极基体电解:将经过预处理的阳极基体固定在电解池中，作为工作电极；将另外一块没有预处理的电极基体固定在电解池中，作为对电极；向电解池内注入浓度为65%-68%的浓硝酸，然后将恒流源的正极连接工作电极，负极连接对电极，调节恒流源的电流使电解电流密度为1-1.5mA/cm2，经过5h 24h电解后，把连接恒流源正极侧的阳极基体取出，用去离子水反复冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液PH值为7，再将冲洗过的阳极基体放入65°C 85°C烘箱烘干备用；
C.阳极基体放入氨水溶液中进行官能团的重组:将步骤B中烘干的阳极基体取出，放入装有氨水分析纯溶液的容器中，用保鲜膜将容器口密封住，放入通风橱中静置24h，然后把阳极基体取出，反复用去离子水冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液pH值为7，最后把阳极基体放在室内培养皿中，待其自然干燥后放入真空干燥箱中备用。本发明的具体原理是:首先用丙酮溶液对阳极基体进行预处理，能够去除阳极基体表面的有机物杂质，能够让细菌更好的与阳极基体接触，冲洗干净后，避免丙酮溶液对细菌在阳极基体表面的吸附和生长造成毒害作用；然后将处理好的阳极基体接上恒流源作为工作电极，而没有经过处理的阳极基体则用来当作对电极，提供电解过程中发生还原反应的场所，并通过恒流源施加电解电流，使得硝酸的氧化反应更加强烈，从而加剧了惰性阳极基体表面的C一C键的断裂和重组，由此引入了活性基团。经过5-24h电解后，阳极基体表面的官能团基本形成，接着用去离子水清除阳极基体中残留的硝酸溶液，最后再将处理后的阳极基体放入到氨水溶液中，相比没有经过处理的阳极基体而言，此时这些阳极基体表面的活性官能团就能够与氨水进行充分的反应，进一步形成肽键和类醌类基团，这些基团的形成更有利于细菌与电极之间的电子传递，进而提高了微生物燃料电池的性能。本发明能耗低，所有的修饰的过程中，需要提供额外能量的地方只有恒流源持续供给的较小电流，相对其他高温处理(700-1200°C)耗能是较低的，并且阳极碳布在经过综合处理后，以后的运行的过程中都不需要再进行其他的处理，就能够维持一个较高的功率的输出，这样的投入更加经济、合理。根据本发明所述的微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法的一种优选方案，所述微生物燃料电池的阳极基体为碳布、碳刷、碳纸、碳租、碳棒或石墨棒。本发明所述的微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法的有益效果是:本发明是采用电化学和化学的综合方式对阳极基体进行修饰，形成的活性基团有利于细菌与电极之间的电子传递，进而提高了微生物燃料电池的性能；本发明能耗低，方法简单，操作方便，成本低，具有良好的应用前景。
图1是经修饰的碳布置于扫描电子显微镜下的照片。图2是未经修饰的碳布置于扫描电子显微镜下的照片。图3是实施例6的电池输出功率密度曲线。图4是实施例6的电池输出电压曲线。
具体实施例方式微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法，其特征在于:包括以下步骤:A.阳极基体预处理:将微生物燃料电池的阳极基体放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将阳极基体全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入65°C 85°C烘箱烘干备用；B.对经过预处理的阳极基体电解:将经过预处理的阳极基体固定在电解池中，作为工作电极；将另外一块没有预处理的电极基体固定在电解池中，作为对电极；(用两块石墨片将阳极基体的顶端夹住，作为电流的引出端，再用试管夹把石墨片固定，同时石墨片和试管夹之间用绝缘硅胶片隔开，以该阳极基体作为工作电极；将另外一块没有预处理的电极基体也用同样的方式将其进行固定在电解池中，)向电解池内注入浓度为65%-68%的浓硝酸，然后将恒流源的正极连接工作电极，负极连接对电极，调节恒流源的电流使电解电流密度为1-1.5mA/cm2，经过5h 24h电解后，把连接恒流源正极侧的阳极基体取出，用去离子水反复冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液PH值为7，再将冲洗过的阳极基体放入65°C 85 °C烘箱烘干备用；C.阳极基体放入氨水溶液中进行官能团的重组:将步骤B中烘干的阳极基体取出，放入装有氨水分析纯溶液的容器中，用保鲜膜将容器口密封住，放入通风橱中静置24h，然后把阳极基体取出，反复用去离子水冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液pH值为7，最后把阳极基体放在室内培养皿中，待其自然干燥后放入真空干燥箱中备用。其中:所述微生物燃料电池的阳极基体为碳布、碳刷、碳纸、碳租、碳棒或石墨片。下面结合实施例对本发明作进一步的具体描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1第一步.阳极基体预处理:将6cm*6cm的碳布放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将碳布全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入85°C烘箱烘干备用；第二步.将经过预处理的碳布插入电解池中，作为工作电极；用两块3cm*4cm*0.3cm的石墨片将碳布的顶端夹住，作为电流的引出端，再用试管夹把石墨片固定，同时石墨片和试管夹之间用绝缘硅胶片隔开；将另外一块没有预处理的6cm*6cm的碳布也用同样的方式将其进行固定在电解池中，作为对电极；向电解池内注入浓度为65%的浓硝酸，然后将恒流源的正极连接工作电极，负极连接对电极，调节恒流源的电流为50mA，经过24h电解后，把连接恒流源正极侧的碳布取出，用去离子水反复冲洗，直至附着在碳布表面的去离子水溶液PH值为7，再将冲洗过的碳布放入85°C烘箱烘干备用；第三步.将第二步中烘干的碳布取出，放入装有氨水分析纯溶液的容器中，用保鲜膜将容器口密封住，放入通风橱中静置24h，然后把阳极基体取出，反复用去离子水冲洗，直至附着在碳布表面的去离子水溶液pH值为7,最后把碳布放在室内培养皿中,待其自然干燥后放入真空干燥箱中备用。将经过以上三步处理好的碳布置于扫描电子显微镜下，发现经修饰的碳布纤维上面与未经修饰的碳布相比变得相对的粗糙不平，经修饰的碳布置于扫描电子显微镜下的照片见图1，未经修饰的碳布置于扫描电子显微镜下的照片见图2。实施例2:第一步.阳极基体预处理:将10cm*10cm的碳纸放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将碳纸全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入75°C烘箱烘干备用；第二步.将经过预处理的碳纸插入电解池中，作为工作电极；用两块3cm*4cm*0.3cm的石墨片将碳纸的顶端夹住，作为电流的引出端，再用试管夹把石墨片固定，同时石墨片和试管夹之间用绝缘硅胶片隔开；将另外一块没有预处理的10cm*10cm的碳纸也用同样的方式将其进行固定在电解池中，作为对电极；向电解池内注入浓度为68%的浓硝酸，然后将恒流源的正极连接工作电极，负极连接对电极，调节恒流源的电流为100mA，经过16h电解后，把连接恒流源正极侧的碳纸取出，用去离子水反复冲洗，直至附着在碳纸表面的去离子水溶液PH值为7，再将冲洗过的碳纸放入80°C烘箱烘干备用；第三步.将第二步中烘干的碳纸取出，放入装有氨水分析纯溶液的容器中，用保鲜膜将容器口密封住，放入通风橱中静置24h，然后把阳极基体取出，反复用去离子水冲洗，直至附着在碳纸表面的去离子水溶液PH值为7，最后把碳纸放在室内培养皿中，待其自然干燥后放入真空干燥箱中备用。实施例3:与实施例2不同的是阳极基体是碳毡。实施例4:第一步.阳极基体预处理:将直径2cm长5cm的碳棒放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将碳棒全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入65°C烘箱烘干备用；第二步.将经过预处理的碳棒插入电解池中，作为工作电极；用铜线缠绕在碳棒上端作为电流的引出端；将另外一块没有预处理的直径2cm长5cm的碳棒也用同样的方式将其进行固定在电解池中，作为对电极；向电解池内注入浓度为65%的浓硝酸，然后将恒流源的正极连接工作电极，负极连接对电极，调节恒流源的电流为40mA，经过5h电解后，把连接恒流源正极侧的碳棒取出，用去离子水反复冲洗，直至附着在碳棒表面的去离子水溶液PH值为7，再将冲洗过的碳棒放入65°C烘箱烘干备用；第三步.将第二步中烘干的碳棒取出，放入装有氨水分析纯溶液的容器中，用保鲜膜将容器口密封住，放入通风橱中静止24h，然后把阳极基体取出，反复用去离子水冲洗，直至附着在碳棒表面的去离子水溶液PH值为7，最后把碳棒放在室内培养皿中，待其自然干燥后放入真空干燥箱中备用。实施例5:与实施例4不同的是阳极基体是石墨棒。实施例6:将实施例1得到的碳布电极作为阳极组装到平板式微生物燃料电池中，并且通入含有细菌的培养液开始启动。电池启动完成后，发现电池输出功率密度和放电能力得到了显著的提升。电池输出功率密度曲线见图3，电池输出电压曲线见图4。
权利要求
1.微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法，其特征在于:包括以下步骤: A.阳极基体预处理:将微生物燃料电池的阳极基体放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将阳极基体全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入65°C 85°C烘箱烘干备用； B.对经过预处理的阳极基体电解:将经过预处理的阳极基体固定在电解池中，作为工作电极；将另外一块没有预处理的电极基体固定在电解池中，作为对电极；向电解池内注入浓度为65%-68%的浓硝酸，然后将恒流源的正极连接工作电极，负极连接对电极，调节恒流源的电流使电解电流密度为1-1.5mA/cm2，经过5h 24h电解后，把连接恒流源正极侧的阳极基体取出，用去离子水反复冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液PH值为7，再将冲洗过的阳极基体放入65°C 85°C烘箱烘干备用； C.阳极基体放入氨水溶液中进行官能团的重组:将步骤B中烘干的阳极基体取出，放入装有氨水分析纯溶液的容器中，用保鲜膜将容器口密封住，放入通风橱中静止24h，然后把阳极基体取出，反复用去离子水冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液PH值为7，最后把阳极基体放在室内培养皿中，待其自然干燥后放入真空干燥箱中备用。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法，其特征在于:所述微生物燃料电池的阳极基体为碳布、碳刷、碳纸、碳租、碳棒或石墨棒。
全文摘要
本发明提供微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法，其特征在于包括以下步骤A.阳极基体预处理将微生物燃料电池的阳极基体放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将阳极基体全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入65℃～85℃烘箱烘干备用；B.对经过预处理的阳极基体电解；C.阳极基体放入氨水溶液中进行官能团的重组；本发明是采用电化学和化学的综合方式对阳极基体进行修饰，形成的活性基团有利于细菌与电极之间的电子传递，进而提高了微生物燃料电池的性能；本发明能耗低，方法简单，操作方便，成本低，具有良好的应用前景。
文档编号H01M4/88GK103151536SQ20131008032
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月13日 优先权日2013年3月13日
发明者李俊, 张军, 叶丁丁, 朱恂, 廖强, 陈蓉, 王永忠 申请人:重庆大学