[发明专利]一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池

说明书

一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，为最大装液体积均为20mL的阳极室和阴极室、采用三明治式结构的双室微生物燃料电池，两室之间采用阳离子交换膜隔开。本发明通过MoS₂纳米材料的修饰使得碳材料电化学性能显著提升，经双室微生物燃料电池测试表明，MoS₂纳米材料的修饰使基于碳布作为阳极的MFCs的内阻降低43%，功率提高60%，平均库伦效率是空白碳布为阳极MFCs的2.86倍；导电聚合物的复合可以进一步提高MoS₂/碳布电极材料的导电性，降低电荷转移电阻，提高电催化活性，整个发明基于二硫化钼复合材料阳极价格低廉，制备简单、容易批量生产，可大大降低微生物燃料电池的运行成本。

技术领域

本发明涉及一种微生物燃料电池，具体为一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池（MFCs）技术是一种新型的既能处理含有有机污染物的废水，又能同时回收能量的新型装置。其基本原理是在阳极室，用微生物作为催化剂，在厌氧的条件下分解有机物，把产生的电子通过外电路传出去，所产生的质子通过离子交换膜传到阴极室，在阴极，氧化剂（电子受体）与到达的电子和质子反应生成还原产物。因为其具有良好的社会经济效益，成为近年来的研究热点。

然而，目前该类电池输出功率密度较低，限制了其广泛应用。其中，阳极既是微生物附着的载体，又是负责把电子传递出去的集流体，阳极材料对MFCs功率输出等性能起到至关重要的作用。开发具有良好电催化性能、比表面积大、电导率高、且生物相容性好的阳极材料，是提高MFCs输出功率密度的主要策略之一。

碳材料因为具有良好的导电性，来源广泛，成本低，等优点，是常用的阳极材料，然而碳元素具有较高的表面能态，容易因为失去电子表现还原性，电子如果直接跃迁到碳材料的表面需要较高的能量，从而造成阳极的活化过电势较大，且单纯的碳材料，其生物相容性往往较差。因此，通过对碳材料的表面进行各种处理、修饰不同的纳米材料，以增大阳极比表面积和降低能态，可以减少活化过电势等，从而对功率的提高有积极作用。

发明内容

本发明需解决的问题是提供一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，采用二硫化钼纳米材料修饰碳材料作为微生物燃料电池复合阳极，来提高微生物燃料电池的输出功率密度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，采用包括阳极室和阴极室的三明治式双室结构，且阳极室和阴极室之间采用阳离子交换膜隔开；

所述阴极室内存放阴极液，浸放在阴极液中的阴极为碳纸或碳布；

所述阳极室内存放阳极液，浸放在阳极液中的阳极为二硫化钼/碳布，或导电聚合物/二硫化钼/碳布 (在此，“/”是指复合材料中两种不同物质之间存在的界面，如“二硫化钼/碳布”，表示二硫化钼长在碳布上，“导电聚合物/二硫化钼/碳布，表示二硫化钼生长在碳布上，且导电聚合物负载在二硫化钼上。)

其中，存放在阴极室的阴极液为pH为中性的PBS缓冲溶液（10.0 g/L碳酸氢钠、11.2g/L磷酸氢二钠）中含有50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]。

阳极为二硫化钼/碳布，或导电聚合物/二硫化钼/碳布，阳极室内存放阳极液。阳极液为pH为中性的PBS缓冲溶液（10.0 g/L碳酸氢钠、11.2g/L磷酸氢二钠）中含有10.0 g/L无水葡萄糖和5 g/L酵母浸膏以及0.8707 g/L的2-羟基-1,4-萘醌（HNQ）。所述导电聚合物为二硫化钼/碳布上还复合聚苯胺、聚吡咯、或者聚噻吩。一般情况下，阳极室和阴极室最大装液体积均为20 mL。

进一步地，二硫化钼复合阳极的制备方法如下：：

S1：把市售碳布依次用丙酮，乙醇，去离子水各超声清洗半小时之后烘干备用；