[发明专利]一种适用于微生物燃料电池的石墨烯掺杂过滤膜电极及其制备方法

说明书

一种适用于微生物燃料电池的石墨烯掺杂过滤膜电极及其制备方法，本发明涉及一种适用于微生物燃料电池的石墨烯掺杂过滤膜电极及其制备方法，本发明的目的是为了解决现有技术中空气阴极制备工艺复杂、产电功率低及出水水质差的问题，本发明将聚氯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮溶解于N,N‑二甲基乙酰胺中，并制备成均相溶液，将该均相溶液与导电材料混合均匀，制备成石墨烯掺杂过滤膜电极液，然后布于不锈钢网上，再将此钢网置于水中，利用相转化法成型。使用本发明制得的电极，微生物燃料电池出水水质得到极大提高，总COD去除率达到97％以上，产电功率也得到极大提高，功率密度可达1460mW·m^‑2。本发明应用微生物燃料电池领域。

技术领域

本发明涉及一种适用于微生物燃料电池的石墨烯掺杂过滤膜电极及其制备方法。

背景技术

废水是一种潜在的能源物质，其中包含的能量要高于采用常规废水处理技术所耗费的能量。因此，对于传统的废水处理，如何实现污染物高效去除的同时，实现高品位的水质回收和能量的利用成为了当前废水处理领域的难题。微生物燃料电池技术能够利用微生物催化直接将废水中可生化降解物质中的化学能转化为电能，实现污水处理与同步的电能回收。该系统主要由阳极、阴极和分隔膜三部分组成。其中，阳极区微生物降解底物，同时产生质子和电子，质子在溶液中快速扩散并覆盖到阴极表面，电子经由外电路最终到达阴极从而形成完整的电池回流。微生物燃料电池技术因其在常温下即可运行，无需额外加热，能直接将有机物中的化学能转换为电能，运行条件限制因素少，因此具有广阔的发展空间，是近年来的环境工程领域的研究热点之一。

阴极是制约微生物燃料电池系统功率提升的关键因素，阴极接收从阳极传递来的电子，在阴极表面发生电子的还原反应，进而完成系统的电化学过程。氧气是微生物燃料电池系统中最常用的电子受体，因其来源广泛，廉价易得，具有较高的电极电势，最终产物为水，无二次污染而被广泛使用。对于空气阴极而言，电极要有良好的催化活性、高的氧传递效率和高的质子转移到催化剂的位置，并且阴极材料必须廉价且经久耐用。

在微生物燃料电池系统中，最常用的催化剂是活性炭，因为其价格低廉，而且在长期运行时，抗污染能力优于铂电极。但是，氧气在碳材料表面的还原速率较低，会导致较高的活化损失超电势，为提高空气阴极的性能，常常对材料进行表面修饰和改性。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，因此采用石墨烯改性的电极材料具有良好的电化学活性和高效的电子传递效率。

常规的辊压空气阴极通常由催化层、不锈钢网和扩散层三层构成，催化层以导电活性碳粉为主成分，扩散层以炭黑为主成分。在制备过程中，需要分别制备催化层和扩散层两层，再通过热压方式将催化层、不锈钢网和扩散层压合为一体，三层依靠挤压粘结，粘结通道是整个构造的薄弱部分。同时，传统空气阴极性能单一，电池系统出水水质不高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中空气阴极制备工艺复杂、产电功率低及出水水质差的问题，提供了一种适用于微生物燃料电池的石墨烯掺杂过滤膜电极及其制备方法。

本发明一种适用于微生物燃料电池的石墨烯掺杂过滤膜电极是由高分子树脂、成孔剂、有机溶剂A、有机溶剂B、导电材料和不锈钢网制成；其中高分子树脂、成孔剂和有机溶剂A的质量比为(10-18):(5-9):(73-85)，高分子树脂与导电材料的质量比为1:(4-8)；导电材料是导电活性炭、导电聚苯胺和石墨烯的混合物，导电活性炭：导电聚苯胺：石墨烯的质量比为(20-100):(5-25):2；导电聚苯胺与有机溶剂B的质量比为3:(18-22)。