[发明专利]一种微生物电化学系统用复合电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种微生物电化学系统用复合电极的制备方法，包括以下步骤：A)将柠檬酸钠干燥后进行升温热解，得到具有蜂窝状结构的碳材料；B)将所述碳材料制备成分散液负载至碳纸电极表面，得到复合碳纸；C)利用快速混合聚合法在复合碳纸表面沉积聚苯胺纳米颗粒，得到微生物电化学系统用复合电极。本发明利用梯度升温热解技术将柠檬酸钠转化成具有蜂窝状结构的碳材料(SC)用于微生物电化学系统(BESs)的阳极修饰材料，使得系统的产电量相较于单纯的碳纸电极有了约5倍的提升。

技术领域

本发明属于微生物电化学技术领域，具体涉及一种微生物电化学系统用复合电极及其制备方法以及微生物电化学系统。

背景技术

微生物电化学系统(BESs)作为一种通用的可再生能源技术方兴未艾，并且应用极为广泛。其原理是以电活性细菌(exoelectrogens)作为一种生物催化剂，利用废水中的有机物作为底物，将新陈代谢过程产生的电子部分导出胞外，以达到处理废水的同时产生电力或在阴极产生各种高附加值产物，如氢气、甲醇或甲酸等的目的。

然而，这一技术却因较低的胞外电子传递效率而被极大地限制着其在实际过程中的应用。其中，阳极性能的好坏是影响BESs性能的关键所在。目前广泛被研究者们应用的当属碳基材料。优异的生物相容性使得其能够长时间且稳定的与产电菌共存；发达且相互贯通的孔隙结构亦使得产电菌的附着以及传质过程都变得更加容易。但实践证明，单纯的碳基材料(如碳纸、碳毡、石墨板等)直接用于BESs体系，其产电性能较差，开发廉价且高效的碳基阳极的需求迫在眉睫。聚苯胺(PANI)具有制备简单、成本低、易于形成各种纳米结构、生物相容性好、环境稳定性好等优点，是电化学研究中很有前途的修饰材料。然而，PANI在中性溶液中导电性差，限制了其在BESs中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微生物电化学系统用复合电极及其制备方法，本发明将SC与PANI相结合用作BESs阳极的修饰材料，二者的结合可相互弥补单负载的不足，协同提高BESs的产电能力。

本发明提供了一种微生物电化学系统用复合电极的制备方法，包括以下步骤：

A)将柠檬酸钠干燥后进行升温热解，得到具有蜂窝状结构的碳材料；

B)将所述碳材料制备成分散液负载至碳纸电极表面，得到复合碳纸；

C)利用快速混合聚合法在复合碳纸表面沉积聚苯胺纳米颗粒，得到微生物电化学系统用复合电极。

优选的，所述升温热解为以5℃/min的升温速率升温至600℃热解2h，然后以5℃/min降温速率降温。

优选的，在步骤A)之后，步骤B)之前，还包括将所述碳材料用浓度为1mol/L的盐酸溶液进行清洗，再用去离子水洗至中性后干燥。

优选的，所述将所述碳材料制备成分散液的制备方法为：

将碳材料分散到的乙醇中，再向其中加入117粘连剂，最后超声处理，得到碳材料的分散液。

优选的，所述负载的方法为滴定烘干法，所述滴定烘干法为：

将分散液滴至碳纸表面，风干，等待碳纸表面乙醇完全挥发后再重复上述步骤，保证碳纸两面都均匀的负载等量的碳材料后，烘干。

优选的，所述快速混合聚合法为：

1)分别配置苯胺单体分散液和引聚剂分散液；

2)将引聚剂分散液加入至苯胺单体分散液中，混合搅拌，得到混合液；

3)将所述复合碳纸浸没于所述混合液中，静置反应后，清洗，烘干，得到微生物电化学系统用复合电极。

本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的微生物电化学系统用复合电极。