[发明专利]提高微生物燃料电池阳极性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高微生物燃料电池阳极性能的方法，属于微生物燃料电池领域。

背景技术

微生物燃料电池（microbial fuel cell，简称MFC）作为一种利用微生物代谢产生电能的新方法，在20世纪90年代初开始受到关注，研究人员在MFC领域展开了大量的工作，并取得了显著成果。虽然MFC的功率密度比燃料电池要低，但它在水资源的可持续发展中有望成为核心技术。MFC的功率密度比较低，其主要原因一方面是由于微生物细胞向阳极转移电子的能力不强，另一方面是由于MFC系统中的欧姆损失较大。因此，选择高性能的MFC材料是至关重要的，特别是阳极。阳极对MFC系统的影响主要表现在：（1）其材质和结构，不仅直接影响微生物细胞与电极的有效接触距离，还影响能有效向电极传递电子的微生物细胞数量，从而影响MFC系统中电子转移效果；（2）电极阻值是影响功率密度输出的一个重要因素，虽然在实际应用中降低电极阻值并不总是提高功率输出，但是在选择阳极材料时，高导电率仍是需要考察的重要问题之一。因此，在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物细胞附着和生长，易于电子从微生物细胞向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、生物相容性好。常用的碳材料阳极有碳布、碳纸、碳棒、泡沫碳、玻璃碳，石墨材料的阳极有石墨棒、石墨毡、石墨颗粒、石墨板等，此外还有活性碳、碳纤维。针对阳极材料的电化学性能的提高，研究者们作出了大量的研究。主要分为两大类，一是金属或金属化合物修饰阳极，如金修饰的碳纸阳极、Mn⁴⁺修饰的石墨阳极、碳化物-磺酸聚氟碳化物/石墨盘片阳极，Fe₃O₄或Fe₃O₄与Ni²⁺修饰的石墨粘板阳极，以及Mn²⁺与Ni²⁺修饰的石墨-陶瓷阳极，等等；二是非金属处理阳极，如高温氨气处理碳电极、用硝酸和乙二胺处理的碳纤维作阳极。但是这些方法的处理成本较高，工艺步骤较为复杂，大大提高了电池的制作成本。因此开发出一种工艺步骤简单，成本相对较低但能显著提高阳极电化学性能的修饰方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前常用的碳材料阳极的表面光滑不是很利于细菌的直接吸附，比表面积不大而导致直接吸附在阳极上的细菌数量少，电子传递能力有限等电化学性能不好的问题，而提供的一种提高微生物燃料电池阳极性能的方法，且该方法在制备过程中无需使用复杂且高价的辅助设备，且工艺简单易于重复制备。

本发明的技术方案为：提高微生物燃料电池阳极性能的方法，其具体步骤如下：一、把阳极材料在聚四氟乙烯，简称PTFE乳液中浸泡后烘干；二、重复步骤一的操作使阳极材料上聚四氟乙烯负载量达到预设的质量负载量；三、将步骤二所得的阳极在空气气氛下进行热处理；四、将步骤三所得的阳极在惰性气氛下进行热处理，即得到改性后的微生物燃料电池阳极。

优选所述的阳极材料为碳质的电极材料，如碳布、碳纸、碳棒。优选所述的PTFE乳液的质量浓度为0.5%-5%。

优选步骤二中所述的PTFE的质量负载量（以阳极材料的质量为基准）为20%-45%。

优选步骤三中所述的空气气氛下进行热处理的温度为330-380℃；热处理时间为15-35min。

优选步骤四中在惰性气氛下热处理温度为900-1100℃；热处理时间为15-65min。

优选所述的碳材料阳极惰性气氛中热处理所用气体为惰性气体，更优选如氩气、氦气或氙气。

本发明对阳极电极的电化学性能的测试采用传统的电化学循环伏安测试法和电化学阻抗谱法。电化学循环伏安（CV）测试条件：工作电极为直径3cm（S=7cm²）的未改性处理的或改性处理后的阳极，对电极为铂丝，参比电极为Ag/AgCl（3.5M sat.KCl）；电解液：10mM K₃Fe(CN)₆，1M KCl；扫描范围：-0.4V~+1.0V，扫速：50mV/s。电化学阻抗（EIS）测试条件：工作电极为直径3cm（S=7cm²）的未处理过的或改性处理后的阳极，对电极为铂丝，参比电极为Ag/AgCl（3.5M sat.KCl）；电解液：10mM K₃Fe(CN)₆，1M KCl；100KHz~100mHz。