[发明专利]一种微生物燃料电池复合阳极的制备及应用

说明书

技术领域

本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种含有无机催化剂和聚苯胺的复合阳极的制备及应用。

背景技术

微生物燃料电池是一种利用产电微生物将有机物中的化学能转化成电能的装置。由于当今社会能源问题日益严重及化石燃料所带来的温室效应，可再生的生物能源日益引起人们的关注。微生物燃料电池以有机物为原料(如污水，污泥)，随着有机物的降解，有机物中的化学能释放出来，产生的电子由微生物捕获并传递到阳极，电子经外电路到达阴极，产生电流。微生物燃料电池的优点是原料来源广泛，还可以进行有机废物的处理，在产电的同时处理有机废物，无污染。微生物燃料电池日益受到人们的关注。

目前制约微生物燃料电池应用的主要原因是它的输出功率密度较低，如何提高微生物燃料电池的输出功率密度是人们研究的重点。阳极是产电微生物的载体。产电微生物与阳极之间的电子转移速率是决定电池性能的重要因素。目前微生物燃料电池阳极材料主要以石墨棒、石墨片、碳布、碳毡、碳纸等碳基材料为主。对阳极材料进行表面修饰，加快产电微生物与阳极材料间的电子转移速率，可以提高电池的输出功率密度。

人们运用不同的方法对阳极进行修饰，电池的输出功率密度均得到提高。Zhang Tian等(Chem.Commun，2006，2257-2259)以PTFE与碳粉的复合物作为阳极，在没有电子介体的情况下电池的最大输出功率密度达到600mW/m²。PTFE的存在增加了电极的比表面积，有利于微生物的附着，同时可以防止微生物进入电极内部阻碍物质和电子的传递。Lowy等(Biosensors and Bioelectronics，2006，21：2058-2063)分别以AQDS与NQ吸附的石墨，Fe₃O₄或Fe₃O₄与Ni²⁺修饰的石墨以及Mn²⁺，Ni²⁺修饰的石墨作为阳极，电池的产电流量比未改性的电极高出1.5到2.2倍。李少华等(过程工程学报，2007，7(3)：589-593)以Rhodoferax ferrireducens菌为产电微生物，进行了NaVO₃阳极催化，结果表明，NaVO₃浓度为4mmol/L、外电阻510Ω时，钒化合物阳极催化最大输出电流可达0.581mA，与无任何催化剂存在的情况相比，输出电流提高0.272mA。Yong Yuan等(Korean Chem.Soc，2008，29：168-172)采用电化学聚合的方法在网状碳(RVC)上修饰了一层聚吡咯，以这种聚吡咯修饰的网状碳(RVC)电极作为阳极，获得了1.2mW/cm³的输出功率密度。

聚苯胺是一种重要的导电高分子材料，具有电化学氧化还原活性和电催化性。近年来研究者们围绕聚苯胺修饰阳极做了许多工作。K.Scott等(Process Safety and Environmental Protection，2007，85：481-488)分别以聚苯胺纳米管，聚苯胺碳的复合物为阳极材料，最大输出功率密度为15mW/m²，25mW/m²。Qiao Yuan等(Journal of Power Sources，2007，170：79-84)以聚苯胺碳纳米管复合物作为微生物燃料电池的阳极，当碳纳米管的质量分数为20％时，阳极具有最高的的电化学活性，最大输出功率密度为42mW/m²。Qiao Yuan等(ACSNano，2008，2：113-119)还研究了纳米结构的聚苯胺与二氧化钛复合材料的阳极催化性能，结果表明当聚苯胺的质量分数为30％时，阳极具有最高的生物适应性和电化学活性，最大输出功率密度可达到1495mW/m²。聚苯胺的合成方法主要有化学氧化聚合法和电化学合成法。在聚苯胺的化学氧化聚合过程中，可以作为引发剂的有过硫酸铵、重铬酸钾、碘酸钾、二氧化锰、偏钒酸铵等。除过硫酸铵外，由于其它几种引发剂含有金属离子，反应结束后难以去除，在实际生产中未被广泛应用。采用含有金属离子的二氧化锰，偏钒酸铵作为引发剂，得到含有无机催化剂和聚苯胺的阳极材料。运用该阳极材料制备含有无机催化剂和聚苯胺的复合阳极以提高电池的输出功率密度，目前尚未见相关技术报道。

发明内容