[发明专利]环境友好的石墨烯生物电极微生物燃料电池及其制备方法

说明书

本发明属于生物燃料电池技术领域，公开了环境友好的石墨烯生物电极微生物燃料电池制备方法。本发明首先构建双室型微生物燃料电池，在微生物燃料电池的阳极室投加氧化石墨烯溶液，利用阳极微生物的还原作用将氧化石墨烯还原在阳极，与微生物交互自组装形成石墨烯生物阳极，将电池进行电极反转运行，通过微生物选择将石墨烯生物阳极转化成石墨烯生物阴极；将所制备的石墨烯生物阳极与石墨烯修生物阴极作为两极构建成双石墨烯生物电极微生物燃料电池，环境友好的制备石墨烯生物电极微生物燃料电池。充分利用石墨烯的优良导电性能、巨大比表面积，提高了阳极氧化效率及阴极氧气、质子和电子的还原效率，加速了电子传递速率，进而提高了产电性能。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及一种环境友好的原位微生物还原氧化石墨烯后自组装形成石墨烯修饰生物电极和构建双石墨烯生物电极微生物燃料电池的方法。

背景技术

微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称MFC)是一种利用微生物将有机物转变为电能的新型生物电化学装置，MFC可在处理废水的同时产生电能。

提高MFC输出产生的功率一直是MFC发展的重要方向。MFC产电性能与电极材料、产电菌、阴阳极微生态、电子介体、MFC构型和运行条件等密切相关。其中，产电菌覆膜更新和电子传递载体的阴极、阳极材料是MFC产电的关键因素之一，直接决定产电菌与电极的交互作用，影响微生物覆膜和更新，进而影响到微生物代谢生长与电子传递、库伦效率与功率输出。

石墨烯(graphene)是一种新型碳纳米材料，理论比表面积达2630m²/g、电导率为6000s/cm。因而是一种能有效提高MFC产电性能的电极修饰材料，其价格较低，极具应用前景。

但是目前化学法、电化学法、热处理法等还原法制备石墨烯或需使用有毒试剂(如水合肼)或需要高温条件，环境不友好。而且制备的石墨烯具有很强的疏水性，在水溶液中难于分散，不能直接修饰电极，且易发生团聚，显著降低其比表面积和导电性能。通常需要借助有机高分子导电聚合物(如Nafion、聚苯胺和聚吡咯等)的辅助才能将石墨烯均匀固定于电极表面。这样不仅使得石墨烯电极的制作难度增大，增加了电极制备成本，抵消了石墨烯低成本优点；也使得所得石墨烯电极内阻增大，抵消了石墨烯高导电性优点。

现有技术MFC阴极和阳极微生物都很难在电极表面疏水性极强的石墨烯上着床覆膜，难以制备出适合微生物着床覆膜的石墨烯生物电极，从而无法充分发挥石墨烯与微生物共同作用来提高微生物燃料电池的产能。

发明内容

为了克服上述存在的问题，本发明的主要目的在于提供环境友好的石墨烯生物电极微生物燃料电池及其制备方法。该法通过微生物原位还原氧化石墨烯在电极表面自组装形成石墨烯修饰生物电极可提高微生物燃料电池的产电效能。

本发明的目的通过下述方案实现：

环境友好的石墨烯生物电极微生物燃料电池及其制备方法的组成部分有：阴极室、阳极室、质子交换膜、阴极电极、阳极电极、外电阻、外电路；阴极室和阳极室均有活性污泥、营养液、痕量元素、维生素等。

所述的双石墨烯生物电极微生物燃料电池是由石墨烯修饰生物阴极和石墨烯修饰生物阳极组成的双室型微生物燃料电池。

所述的石墨烯修饰生物阳极是在阳极室添加氧化石墨烯溶液，利用微生物的还原作用将氧化石墨烯还原生成石墨烯，自组装形成石墨烯修饰生物阳极。

所述石墨烯修饰生物阴极是由微生物燃料电池的石墨烯修饰生物阳极反转成为石墨烯修饰生物阴极。

石墨烯修饰生物阴极已经形成之后，再重复上述步骤，在阳极室添加氧化石墨烯溶液，利用微生物的还原作用将氧化石墨烯还原生成石墨烯，自组装形成石墨烯生物修饰阳极。至此，所述双石墨烯生物电极微生物燃料电池形成。