微生物燃料电池阴极、制备方法及其应用

1.本发明涉及环保新能源领域，具体涉及一种微生物燃料电池阴极、制备方法及其应用。


背景技术：

2.微生物燃料电池(microbial fuel cell，mfc)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
3.微生物燃料电池作为一种新兴的绿色、高效水处理技术，近年来备受研究者的关注。养料(如葡萄糖、乙酸钠等)在微生物作用下于阳极室中被氧化，电子通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极，氧化物在阴极得到电子被还原。这样，通过源源不断的电子流动产生电流。
4.现有微生物燃料电池常见的电子受体主要为o2、铁氰化钾、高锰酸钾、过硫酸钾、重铬酸钾、次氯酸钠、过氧化氢等。这些电子受体一般由碳布或碳毡通过外电路将阳极室的电子接收，其电子转移过程发生在电极界面上，极易受外界条件所影响，有较高的过电位，动力学受限。且这些电子受体容易对阳极反应造成影响，同时，产电量的持续性、电子受体材料昂贵等因素也限制了微生物燃料电池技术的发展。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种新的微生物燃料电池阴极、制备方法及其应用，以解决上述问题。
6.本发明的目的采用以下技术方案来实现：
7.一种微生物燃料电池阴极，所述阴极包括电子受体，所述电子受体为纳米金属氧化物。
8.在一些优选的实施方式中，所述电子受体为氧化铜和/或氧化铁中的一种或两种。
9.所述微生物燃料电池阴极的制备方法，所述微生物燃料电池阴极是通过在泡沫金属基底的表面生成金属氧化物制得。
10.本发明基于金属氧化物的导电性较差，因此以泡沫金属或碳材料(碳毡、泡沫碳)作为导电基底；例如以泡沫铁或泡沫铜为导电基底的氧化铜(氧化铜@泡沫铁、氧化铜@泡沫铜)、以泡沫钛为导电基底的氧化铜/铁(氧化铜/铁@泡沫钛)。
11.在一些优选的实施方式中，所述微生物燃料电池阴极的制备方法包括以下步骤：取泡沫金属材料并依次于酸溶液和有机溶剂中洗涤，干燥后通过热处理氧化在表面生成金属氧化物，制得所述微生物燃料电池阴极；
12.也可将泡沫金属导电基底直接进行热处理氧化在表面生成金属氧化物，也可以通
7000)，阴阳极室一侧为封闭挡板，玻璃板之间均以2mm厚的硅胶垫片封闭。阳极材料为用0.15mm钛丝绑定在钛丝网上的2
×
2cm碳布，阴极材料为用0.15mm钛丝绑定在钛丝网上的2
×
2cm氧化铜阴极材料，阴阳极材料通过0.4mm钛丝缠绕连接至1000ω外电阻并形成回路；
32.所述氧化铜阴极材料的制备方法包括以下步骤：
33.(1)截取泡沫铜材料(规格20mm
×
20mm
×
2mm)于50ml盐酸(v/v＝1：9)中超声15min，去除泡沫铜表面的氧化物成分；
34.(2)于50ml丙酮中超声5min，然后用无水乙醇清洗2-3次，去除泡沫铜上的油脂、有机物；
35.(3)将无水乙醇清洗后的泡沫铜材料于烘箱50℃干燥60min；
36.(4)干燥后的泡沫铜材料于马弗炉450℃灼烧2h，升温速率5℃/min。
37.本实施例所述氧化铜阴极材料在阳极溶液为乙酸钠溶液(bod 200mg/l)、外接电阻1000ω、阴阳极电极规格为2
×
2cm的条件下，通过与以氧气(o2)为电子受体电池、以铁氰化钾(pf)为电子受体电池对比，参见附图4，可以看出以氧化铜为阴极的微生物燃料电池电压稳定平台期更为持久。该微生物燃料电池cod去除率在90％以上，理论库伦效率在63％左右。
38.实施例2
39.本实施例提供的微生物燃料电池阴极材料、制备方法及微生物燃料电池(mfc)，与实施例1基本上相同，其区别在于：所述阴极材料为氧化铜/铁@泡沫钛。
40.所述氧化铜/铁@泡沫钛阴极材料的制备方法包括以下步骤：
41.(1)截取泡沫钛材料(规格20mm
×
20mm
×
2mm)于50ml盐酸(v/v＝1：9)中超声15min，去除泡沫钛表面的氧化物成分；
42.(2)于50ml丙酮中超声5min，然后用无水乙醇清洗2-3次，去除泡沫钛上的油脂、有机物；
43.(3)将无水乙醇清洗后的泡沫钛材料于烘箱50℃干燥60min；
44.(4)干燥后的泡沫钛材料放入电解槽中作为为阴极，以铂片为阳极，ag/agcl为参比电极，硼酸(0.5mol/l)、硫酸铜(0.1mol/l)、硫酸亚铁(0.1mol/l)、十二烷基磺酸钠(2.0g/l)的混合溶液为电沉积液，在0.25a电流大小下沉积5-10min；沉积结束后用去离子水将电极表面清洗干净，置于烘箱中60℃烘干，再置于马弗炉中，以5℃/min的升温速度分别升温至400-600℃，恒温煅烧2h，自然降温到室温后取出，清洗干净后使用。
45.本实施例所述氧化铜/铁@泡沫钛阴极材料在阳极溶液为葡萄糖-谷氨酸溶液(bod500mg/l)、外接电阻1000ω、阴阳极电极规格为2
×
2cm的条件下，氧化铜/铁@泡沫钛为阴极的微生物燃料电池电压稳定平台期稳定持久。该微生物燃料电池cod去除率在95％以上，理论库伦效率在60％左右。
46.在其他实施例中，也可以碳材料(碳毡、泡沫碳)作为基底材料，沉积金属上去再氧化为金属氧化物，作为微生物燃料电池的阴极材料。
47.本发明重点是以金属氧化物阴极自身作为电子受体，与生物阳极构成电池，无需额外添加其它物质，无需隔膜，减小了电池内阻，以所述金属氧化物阴极自身作为电子受体发生还原反应，降低了阴极极化引起的电压及能量损失，可以延长微生物燃料电池稳定输出电压过程。
48.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。


技术特征：
1.一种微生物燃料电池阴极，其特征在于，所述微生物燃料电池阴极包括电子受体，所述电子受体为纳米金属氧化物。2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池阴极，其特征在于，所述电子受体为氧化铜和/或氧化铁中的一种或两种。3.根据权利要求1或2所述的微生物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，所述微生物燃料电池阴极通过在泡沫金属基底的表面生成金属氧化物制得。4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：取泡沫金属材料并依次于酸溶液和有机溶剂中洗涤，干燥后通过热处理氧化或电化学阳极氧化的方式在表面生成金属氧化物，制得所述微生物燃料电池阴极。5.根据权利要求4所述的微生物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，所述热处理氧化的处理条件为5-10℃/min升温至400-600℃并保温灼烧2-4h。6.一种微生物燃料电池，其特征在于，其包括权利要求1或2所述微生物燃料电池阴极。

技术总结
本发明公开一种微生物燃料电池阴极、制备方法及其应用，属于环保新能源领域。所述微生物燃料电池阴极包括电子受体，所述电子受体为纳米金属氧化物；本发明以金属氧化物阴极自身作为电子受体，与生物阳极构成电池，无需额外添加其它物质，无需隔膜，减小了电池内阻，以所述金属氧化物阴极自身作为电子受体发生还原反应，降低了阴极极化引起的电压及能量损失，可以延长微生物燃料电池稳定输出电压过程。可以延长微生物燃料电池稳定输出电压过程。可以延长微生物燃料电池稳定输出电压过程。


技术研发人员：王川 赵闯 杨兢欣
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2022.02.25
技术公布日：2022/5/31