[发明专利]一种消除微生物燃料电池性能拐点的复合阳极制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及微生物燃料电池性能曲线拐点现象与阳极材料性质的关系研究，并提出一种消除微生物燃料电池性能拐点的复合阳极的制备方法。

背景技术

1911年英国Durham大学的植物学家Pottor教授观察到“有机物的微生物分解伴随着电能释放”，即现今微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）的雏形，并于1991年首次将微生物燃料电池用于生活污水处理中，MFC体系主要产电微生物（Shewanella和Geobacter sp.）从燃料分子获取电子，电子经由细菌内膜、周边质，传递到细菌外膜，经电子中介体这种间接电子传递方式或胞外细胞色素C和纳米导线的物理接触作用的直接电子传递方式到达阳极表面，进而经外电路传递到阴极，使得原本用于氧化磷酸化生物合成ATP的能量转化为电力，与常规化学燃料电池相比：微生物燃料电池燃料来源广泛，可使用多种有机、无机物作为电子供体；微生物燃料电池作用过程环保，能将电子供体彻底氧化转化为CO₂和水；微生物燃料电池条件温和，可在室温下进行；微生物燃料电池运行成本低廉，无需昂贵的催化剂催化电子供体的氧化。故微生物燃料电池可回收电能，有利于解决能源与环境问题，建立节约型、循环型社会。随着微生物燃料电池结构的设计和性能优化，其电流密度逐步提高到了5W/m²，但是在微生物燃料电池的产电性能分析过程中不可避免的出现D型或M型拐点，拐点现象的出现伴随着阳极性能随外电阻的减小急剧下降，电流密度急剧减小，使得微生物燃料电池的产电性能评价结果变得很不准确，不利于微生物燃料电池在实际工程中的应用。

M型拐点可以通过增加阳极微生物在外电阻下的稳定时间来消除，而D型拐点的出现有多种解释如微生物燃料电池反应器的传质限制、低外电阻下电子供体的供应不足、阳极微生物的种类、富集时间及成熟性影响等，然而均被后续研究一一否定，目前，还未有阳极材料对消除微生物燃料电池性能拐点方面的报道，因此对MFC性能曲线拐点与阳极材料间的关系进行研究，并提出了一种消除微生物燃料电池性能拐点的复合阳极的制备方法，期望促进微生物燃料电池技术走向实际工程应用。

发明内容

本发明的目的是解决微生物燃料电池在产电性能分析过程中出现拐点现象而影响产电性能评价结果的问题，通过对微生物燃料电池性能曲线拐点与阳极材料间关系的研究，提出一种消除微生物燃料电池性能拐点的复合阳极的制备方法，以适应微生物燃料电池的工程化应用。

本发明提供的消除微生物燃料电池性能拐点的复合阳极的制备方法，具体步骤如下：

步骤1、将超级电容活性碳置于蒸发皿中，加入无水乙醇溶液使其分散均匀，超声搅拌20～30min；

步骤2、将蒸发皿置于水浴锅内，40～80℃下加热使乙醇微沸，然后逐滴滴加聚四氟乙烯乳液，机械搅拌使其破乳，得到外观如软膏状混合物；

步骤3、将此软膏状混合物置于辊压机内，辊压成厚度约0.15～0.2mm的膜；

步骤4、将上述辊压的膜材料与不锈钢网固定，辊压成型，得到厚度为0.2mm的复合膜；

步骤5、将步骤4得到的复合膜进行切割，用于制备微生物燃料电池的复合阳极；

步骤6、将步骤5制备的复合阳极装入微生物燃料电池中，所制备的复合阳极即可消除微生物燃料电池性能拐点。

所述的超级电容活性碳与聚四氟乙烯乳液的质量比为19:1。聚四氟乙烯乳液的质量百分比浓度为60%。

所述无水乙醇与超级电容活性碳和聚四氟乙烯乳液构成的混合物的质量比为1:45～50。

以上所述超级电容活性碳制得的复合阳极用于微生物燃料电池性能曲线拐点的测试。所制备的复合阳极的材料与微生物燃料电池性能的拐点相关。电化学分析证实，超级电容活性炭制备的复合阳极能够消除微生物燃料电池性能拐点。

本发明制备的复合阳极中，不锈钢网作为载体和集流体，超级电容活性碳作为阳极微生物的载体，聚四氟乙烯乳液作为辅助添加物。该方法制备的阳极中聚四氟乙烯乳液的作用主要是纤维化，使不同性质的材料聚结成型，对微生物燃料电池拐点性能的影响不是很显著，故本方法只考虑不同材料制备的复合阳极与微生物燃料电池性能曲线拐点间的关系。

本发明的微生物燃料电池工作原理：