[发明专利]一种利用板栗壳制备生物电化学系统电极的方法

说明书

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。其魅力在于：将原本需要高额能量输入的污水处理工艺转变为以污水为能量来源的低能耗甚至产能工艺。将原本棘手的污水视为能量的来源，为水处理工业提供了一种崭新的发展思路。近年来，随着全球变暖现象的日益严重，一系列节能降耗的绿色科技闪亮登场，生物电化学系统则是其中的优秀代表。不仅摆脱了传统污水处理工艺对能源的依赖，更是利用污水中的有机质产生额外的电能，引起了研究人员的广泛重视。近期又有学者在微生物燃料电池的基础上开发了可产生氢气、甲烷及过氧化氢等化工产品的微生物合成电池、以海水淡化为目的的微生物脱盐电池和利用CO2气体生产能源的微生物碳捕获电池等。这些技术被统一归类于微生物电化学系统。

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。

与常规的水处理技术相比，生物电化学系统的电极和优势产电菌群是实现其功能的关键。电极部分通常选择电化学性质稳定、生物相容性好的材料，如活性炭、碳纸、碳布和石墨颗粒等。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、是否利于微生物生长、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、材料成本是否来源广泛价格低廉以便于实际应用等。

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、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。

板栗壳是壳斗科植物栗的壳斗。原植物栗为落叶乔木，高15～20米。壳斗呈球形，表面密布分枝利刺，刺长1～1.5厘米，，刺上密被紧贴的柔毛，成熟时开裂而散出坚果。我国南北各地广泛栽培。由于其表面密布分枝利刺，故而可以为微生物生长附着提供极大的表面积，利于其在生物电化学系统中的利用。因此，本方法选择板栗壳为原料制备电极。

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，以板栗壳为原料，用淀粉粘结剂将其粘附到一起，在高温条件下对其进行碳化，得到的电极具有很好的导电能力和极大的表面积，利于微生物附着、生长，使得应用该电极的生物电化学系统获得很好的电流产出。

具体的运用方法：

将淀粉与沸水按质量比1:0.5~5混合后制成粘结剂。将板栗壳平铺一层，在同层的板栗壳之间涂覆一层厚度为0.1mm~5mm的淀粉粘结剂，通过自然风干或烘干使粘结层固化。将制备好的材料置于炉中，在惰性气体氮气或氩气的保护下或真空条件下，以2℃/min~20℃/min的升温速度加热到600℃~1800℃，并停留30min~300min，形成生物电化学系统的碳基电极。

有益效果：

本发明中的电极以板栗壳为原料，一方面实现了废物的再生利用，另一方面为制得的电极提供了极大的生物附着面积。本方法所制备的电极导电性强、生物相容性好，所利用的材料成本低廉，来源广泛。具有良好的实用价值。

具体实施方式

本发明提供了一种利用板栗壳制备生物电化学系统电极的方法，以板栗壳、淀粉为原料加以制备，以下对具体实施方式加以说明。

具体实施方式一：

1）将20g淀粉置于容器中，加入40ml沸水，在90℃条件下搅拌20min，使淀粉充分分散在沸水中，由此制成淀粉粘结剂；

2）取4块板栗壳，在其侧面涂覆一层厚度为2.5mm的淀粉粘结剂，使其相互黏结；

3）将制备好的材料放入烘箱中，在70℃条件下烘烤1h；

4）将烘干的材料取出，放入管式炉中，在惰性气体氮气保护条件下进行高温碳化。温度：1000℃，碳化时间：1h，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不同数量的板栗壳即可。

具体实施方式二：