本发明专利技术提供的是一种具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料及制备方法。本发明专利技术的微生物燃料电池阳极材料是由纳米碳、海绵、活性炭和金属集流体构成的多层结构。本发明专利技术的制备方法主要包括海绵基体的预处理，采用浸渍-干燥的方法制备3D纳米碳与海绵导电材料和将3D碳材料导电基体固定到涂覆活性炭的金属集流体上制成3D多层阳极材料等步骤。本发明专利技术的电极材料不仅有利于传质和生物大量附着，而且制作过程简单，成本低，以该材料为阳极构建的MFC的阳极产电性能大大提高、极化现象明显降低，具有很大的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种微生物燃料电池阳极材料。本专利技术也涉及一种微生物燃料电池阳极材料的制备方法。
技术介绍
微生物燃料电池(MFC)是利用微生物为阳极催化剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的理想装置。Logan等同步微生物产电和污水生物处理的研究同时实现了有机废弃物处理和清洁电能生产，使MFC技术成为能源与环境领域的研究热点，为同时解决能源问题和保护环境提供了一个全新思路。从MFC技术提出之后，各国研究者进行了大量实验研究，包括改进电池构型、开发高效廉价电极材料、优化电池运行参数、MFC的电子传递机理、MFC的电子受体、MFC的胞外产电菌的群落分析及MFC功能的扩展等，通过这些研究使得MFC的产电性能大幅提高，未来的应用范围不断扩大。 但MFC的研究现状距实际应用还有距离，许多问题有待解决。其中最重要的就是其输出功率较低，而MFC的核心部件之一阳极材料的性质和空间结构对MFC的产电能力有最直接的影响。 阳极作为产电微生物附着的载体，应该具有大的表面积、良好的导电性和生物相容性。常用的阳极是碳基材料，如石墨、碳毡、碳纸等。大部分材料的使用基本上采用为化学燃料电池和电池设计开发的标准，而忽略了 MFC电极作为微生物群落的栖息地的生物作用。为此有研究者开发出一些具有大比表面积的特殊结构的阳极材料，如Logan等制备了石墨纤维刷电极，大大提高了 MFC产电，但纤维之间的空间分布不均，附有微生物的纤维可能会发生粘连，使全部表面积不会都被有效利用，导致MFC的产电性能受到影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有优越的物质传输性能和大的生物附着场所，会使MFC性能大幅提高的具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料。本专利技术的目的还在于提供一种具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料的制备方法。 本专利技术的具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料是由纳米碳、海绵、活性炭和金属集流体构成的多层结构。 本专利技术的具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料的制备方法为: (I)海绵基体的预处理 将裁剪后的海绵基体在乙醇溶液中清洗15-20分钟，清洗后用蒸馏水冲清干净，在100-110°C温度下烘干； (2)采用浸溃-干燥的方法制备3D纳米碳与海绵导电材料 将预处理后的海绵基体在含有9000?1100mg/L的纳米碳和少量表面活性剂的水溶液中超声浸溃，然后取出清洗掉表面活性剂，再在100-110°C温度下烘干得到具有与海绵骨架结构相同的3D碳材料导电基体； (3)将3D碳材料导电基体固定到涂覆活性炭的金属集流体上制成3D多层阳极材料 将活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯按质量比80:10:10的比例混合后压制成薄膜，然后再将所述薄膜与金属集流体压在一起，最后将3D碳材料导电基体固定到涂覆活性炭的金属集流体上，制成三维开放大孔多层结构的微生物燃料电池阳极材料。 所述的纳米碳材料为碳纳米管、石墨烯，氮修饰改性的碳纳米管、或者是氮修饰改性的石墨烯中的一种。 所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠。 所述的金属集流体为钛网或不锈钢网。 本专利技术提供了一种新型的三维立体、开放大孔、多层结构的微生物燃料电池阳极材料。该阳极材料具有连续贯通的三维大孔网络结构，有利于基质从各方向进入孔内，提供贯穿的基质快速传递通道；该载体表面积大、通透性好，易挂生物膜，微生物附着量大，同时由于孔径较大，长期运行也不会因微生物的生长附着堵塞，耐磨损。该电极材料不仅有利于传质和生物大量附着，而且制作过程简单，成本低，以该材料为阳极构建的MFC的阳极产电性能大大提高、极化现象明显降低，具有很大的应用前景。 本专利技术的阳极材料的多层结构为:纳米碳/海绵/活性炭/金属集流体。从作为微生物群落的栖息地的生物作用的角度考虑，海绵作为微生物的载体更适合，而且工程应用已多年。德国LINPOR技术就是使用高孔隙率聚氨酯泡沫海绵块用于活性污泥工艺作为微生物的载体，该载体表面积大、通透性好，易挂生物膜，微生物附着量大，同时由于孔径较大，长期运行也不会因微生物的生长附着堵塞，耐磨损，大大提高了有机物的处理能力。而且，海绵的价格很低。但是海绵不导电，不能做电极。 纳米碳材料具有良好的导电性，纳米碳的柔韧性和与海绵表面强的附着力使其易于缠绕在海绵骨架上，就像海绵的“皮肤” 一样紧紧包裹在纤维丝的外面形成纳米碳薄层，因此可构筑出和海绵网络结构完全相同的连续通透、开放孔结构、高导电性的3D纳米碳材料，有效提高阳极液-微生物-阳极的界面面积，降低传质阻力，提高MFC性能。 将导电的海绵附在涂覆活性炭的集流体上，制备出具有三维立体大孔多层结构的微生物燃料电池阳极材料。其巨大的比表面积和结构为微生物的附着提供更多的场所，增加它们和微生物的接触点。涂覆活性碳的集流体有效地提高了 3D碳材料上负载的微生物和电极之间的电子传递能力，能将电子有效的导出至外电路，且涂覆活性炭的金属集流体比单独使用金属集流体具有更高的收集微生物产生的电子的能力，电流输出稳定，而且可以进一步降低阳极极化现象，提高输出功率。 [0021 ] 采用本专利技术制备的三维开放大孔多层结构的材料作为阳极构建微生物燃料电池，以1000mg/L乙酸钠为燃料，考察阳极材料的产电性能，结果见附图2。 对上述制得的3D纳米碳/海绵导电材料采用SEM进行表面形貌分析，结果见附图1A-图1C。从图中可见制备的材料表面致密均匀的分布着碳纳米管，就像海绵的“皮肤”一样紧紧包裹在纤维丝的外面形成纳米碳薄层，从而是构建出与海绵结构相同的3D纳米碳。 【附图说明】 图1A-图1C是本专利技术制备的3D纳米碳/海绵导电材料的SEM图。图1A为3D纳米碳/海绵导电材料的SEM图；图1B为未组装碳纳米管的海绵纤维丝局部放大SEM图；图1C为组装碳纳米管的海绵纤维丝局部放大SEM图。 图2是本专利技术为阳极构建的MFC的阴阳极极化曲线。 图3是本专利技术为阳极构建的MFC的功率曲线。 【具体实施方式】 下面举例对本专利技术做更详细的描述。 制备的工艺主要包括:海绵预处理、浸溃自组装纳米碳制成3D碳材料、将3D纳米碳材料固定到涂覆活性炭的金属集流体上制成3D多层阳极材料。 (I)海绵基体的预处理。首先按要求进行裁剪，然后在乙醇溶液中清洗15-20分钟，清洗后用蒸馏水冲清干净，放入烘箱100-110度烘干。预处理主要是去掉海绵表面的污物，增大和活性组分的结合力。 (2)采用浸溃-干燥的方法制备3D纳米碳/海绵导电材料。将预处理后的海绵在含有1000mg/L左右的纳米碳，少量表面活性剂的水溶液中超声浸溃15分钟，然后取出清洗掉表面活性剂，将海绵放在100-110度烘箱中烘干，制成具有与海绵骨架结构相同的3D碳材料导电基体。根据需要的负载碳的量，可以选择不同的浸溃的时间和次数。通过自组装在海绵基体上负载纳米碳材料的作用:一是使海绵导电，二是通过纳米碳材料的自组装使海绵的比表面积更大，而且这些纳米碳具有生物电催化活性，可以提高微生物的产电性能。 所述的纳米碳材料为一维或二维碳材料，如碳纳米管或石墨烯中的一种，也可以是氮等修饰改性的碳纳米管或石墨烯中的一种。 所述的表面活性剂为各种表面本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料，其特征是是由纳米碳、海绵、活性炭和金属集流体构成的多层结构。
【技术特征摘要】
1.一种具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料，其特征是是由纳米碳、海绵、活性炭和金属集流体构成的多层结构。2.—种权利要求1所述的具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料的制备方法，其特征是: (1)海绵基体的预处理 将裁剪后的海绵基体在乙醇溶液中清洗15-20分钟，清洗后用蒸馏水冲清干净，在100-110°C温度下烘干； (2)采用浸溃-干燥的方法制备3D纳米碳与海绵导电材料 将预处理后的海绵基体在含有9000?1100mg/L的纳米碳和少量表面活性剂的水溶液中超声浸溃，然后取出清洗掉表面活性剂，再在100-110°C温度下烘干得到具有与海绵骨架结构相同的3D碳材料导电基体； (3)将3D碳材料导电基体固定到涂覆活性炭的金属集流体上制成3D多层阳极材料 将活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯按质量比80:10:10...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈野，温青，丛宇鹏，王宇阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。