CN104409744A - 一种均匀碳基材料/pva阳极催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种均匀碳基材料/pva阳极催化剂及其制备方法与应用 Download PDF

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陈晓芬
崔丹
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Abstract

本发明公开了一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂及其制备方法与应用。所述制备方法包括以下步骤：将聚乙烯醇溶解在去离子水中，搅拌加热使聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；将胶黏剂与去离子水混合，超声，使其混合均匀，然后加入碳基催化剂材料，再超声混合，得到所述均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。本发明制得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂具有较强的亲水性、良好的生物相容性适于微生物生长寄生，用于制备微生物燃料电池阳极能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，大幅度提高微生物燃料电池的输出功率。

Description

一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
微生物燃料电池(MFC)是基于微生物的新陈代谢，将有机质的化学能转化成电能，可被微生物转化的有机质不局限于现有燃料电池技术中的有机小分子(包括氢)，可扩展到淀粉、纤维素等大分子有机物。因此，微生物燃料电池不仅可以选用生物质作为燃料发电达到洁净利用生物质能源的目的，还可将废物中的有机质作燃料转化成电能同时达到治理环境的效果。当今社会面临能源短缺和环境污染的严峻威胁，人们迫切希望微生物燃料电池能够得到广泛的应用。然而，MFC极低的输出功率一直是制约其发展的一个重要因素。
有多个因素影响微生物燃料电池输出功率，包括：阴阳极电极材料、产电微生物、有机质、电解质溶液、操作温度等等。这些因素中阳极材料尤其重要，因为阳极材料与微生物产电机理直接关联。在阳极材料中粘胶剂主要起到支撑、粘附催化剂的作用,将催化剂牢牢附在集流体上，显然，利用具有特殊组成、结构且有利于微生物产电的胶黏剂，是提高微生物燃料电池输出功率的重要措施。
研究表明，微生物产电的阳极材料胶黏剂的结构对微生物寄生成膜有显著的影响，而具有亲水基团的结构由于具有大的亲水性能在其他领域也得到了广泛地研究。但是，在微生物领域缺少对阳极胶黏剂的研究。因此，制备一种与细菌膜分子有吸引作用力、强亲水性且具有生物相容性适合微生物生长的MFC阳极胶黏剂显得十分必要。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。
本发明的再一目的在于提供上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇溶解在去离子水中，搅拌加热使聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；
(2)将步骤(1)制得的胶黏剂与去离子水混合，超声使其混合均匀得到胶黏剂溶液，然后加入碳基催化剂材料，再超声混合，得到所述均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。
优选的，步骤(1)所述的聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.3～1。
优选的，步骤(1)所述的聚乙烯醇的平均分子量(聚合度)为17～30万，醇解度为80％～100％。
优选的，步骤(1)所述的加热溶解聚乙烯醇的温度为50～75℃，搅拌时间为2～6h。
本发明所述的室温为20～28℃。
优选的，步骤(2)所述胶黏剂与去离子水混合后得到的胶黏剂溶液中，胶黏剂的质量浓度为2％～30％。
优选的，步骤(2)所述胶黏剂与去离子水混合后超声时间为30～90min；所述的加入碳基催化剂材料后的超声混合时间为45～120min。
优选的，步骤(2)所述碳基催化剂材料为碳纳米管、石墨烯或多孔碳；所述碳基催化剂材料的加入量为：每1mL胶黏剂溶液加入21～30g碳基催化剂材料。
上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。该均匀碳基材料/PVA阳极催化剂具有较强的亲水性、良好的生物相容性适于微生物生长寄生，用于制备微生物燃料电池阳极能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，大幅度提高微生物燃料电池的输出功率。
上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂在制备微生物燃料电池阳极中的应用。
优选的，所述应用的具体方法为：
(a)将碳毡依次用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；
(b)将均匀碳基材料/PVA阳极催化剂超声均匀后粘于步骤(a)处理后的碳毡上，然后80℃烘干，得到含有多孔碳催化剂的微生物燃料电池阳极。
本发明的设计原理是：根据阳极中电子的传递机理，增强细菌与电极表面的接触；使用亲水性较好的PVA做胶黏剂，在50～75℃中溶解在去离子水中，冷却室温，将炭基材料加入PVA胶黏剂中，使其与胶黏剂混合均匀，然后将其刷在集流体上作为阳极催化剂。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明所述的胶黏剂的制备方法简单，无需添加有毒溶剂，即可获得均匀的PVA胶黏剂。该胶黏剂具有大的粘结性，能确保催化剂进泡在阳极液中不脱落，同时给细菌寄生提供适合场所，同时PVA生物相容性良好，在MFC阳极催化剂中具有很好的应用前景。
(2)本发明所述的胶黏剂，具有无毒、无害且优良的生物相容性，有利于细菌的生长；其良好的亲水性，有利于细菌的吸附。该胶黏剂除了能很好的将阳极催化剂粘附在阳极集流体上，同时其分子结构对细菌膜分子具有氢键作用力吸引，促进细菌在阳极的寄生与吸附，能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成并形成稳定生物膜，提高催化剂的催化效率，大幅度提高微生物燃料电池的输出功率。
(3)本发明制备得到的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂与细菌接触的有效比表面积大、具有较强的亲水性、良好的生物相容性适于微生物生长寄生，用于制备微生物燃料电池阳极能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，大幅度提高微生物燃料电池的输出功率。
附图说明
图1为为实施例1制备的胶黏剂的红外图谱。
图2为为实施例1制备的胶黏剂的热重图谱。
图3为为实施例1制备的胶黏剂的XRD图谱。
图4为为实施例1制备的胶黏剂的接触角图谱。
图5为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC极化曲线对比图。
图6为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC功率密度对比图
图7为实施例1、实施例2与实施例3制备的MFC功率密度曲线对比图
图8为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC在微生物接种7天后阳极表面形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例和对比例中所用到的：聚乙烯醇购于阿拉丁试剂厂；碳基材料(多壁碳纳米管、多孔碳、石墨烯)购于成都有机化学有限公司；碳纸购于广东南广机电设备有限公司；阳离子交换膜购于浙江千秋环保水处理有限公司；质量分数为20％的铂载碳购于阿法埃莎(天津)化学有限公司；聚偏二氟乙烯(PVDF)购于深圳华粤宝电池有限公司；N-甲基吡咯烷酮(NMP)购于广州化学试剂厂。
实施例1
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为17万、醇解度为99％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，75℃下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.5；
将胶黏剂与去离子水混合，超声90min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为15wt％的胶黏剂溶液；称取所制的胶黏剂溶液1mL并加入27mg多壁碳纳米管，再超声混合120min，得到均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
实施例2
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为18万、醇解度为99％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，60℃下加热溶解，电动搅拌4h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.3；
将胶黏剂与去离子水混合，超声60min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为10％的胶黏剂溶液；称取所制的胶黏剂溶液1mL并加入30mg多壁碳纳米管，再超声混合90min，得到均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
实施例3
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为20万、醇解度为99％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，70℃下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.7；
将胶黏剂与去离子水混合，超声45min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为5％的胶黏剂溶液，称取所制的胶黏剂溶液1mL并加入30mg多壁碳纳米管，再超声混合120min，得到均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
实施例4
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为22万、醇解度为98％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，60℃下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.5；
将胶黏剂与去离子水混合，超声90min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为5％的胶黏剂溶液；称取所制的胶黏剂溶液1mL并加入27mg多壁碳纳米管，再超声混合120min，得到均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
实施例5
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为25万、醇解度为89％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，60℃下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.3；
将胶黏剂与去离子水混合，超声60min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为5％的胶黏剂溶液；称取所制的胶黏剂溶液1mL并加入24mg多壁碳纳米管，再超声混合80min，得到均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
实施例6
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为30万、醇解度为80％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，60℃下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.3；
将胶黏剂与去离子水混合，超声60min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为5％的胶黏剂溶液，称取所制的胶黏剂溶液1mL并加入21mg多壁碳纳米管，再超声混合60min，得到均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀多壁碳纳米管/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
实施例7
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为30万、醇解度为80％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，60℃下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.3；
将胶黏剂与去离子水混合，超声60min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为15％的胶黏剂溶液；称取所制的胶黏剂溶液1mL加入30mg多孔碳，再超声混合120min，得到均匀多孔碳/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀多孔碳/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
实施例8
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备：
将平均分子量为30万、醇解度为80％的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转入250ml的圆底烧瓶，60℃下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.3；
将胶黏剂与去离子水混合，超声90min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为15％的胶黏剂溶液；称取所制的胶黏剂溶液1mL加入30mg石墨烯，再超声混合120min，得到均匀石墨烯/PVA阳极催化剂；
(2)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；将步骤(1)所制得的均匀石墨烯/PVA阳极催化剂刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干，得到所述MFC阳极；
(3)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出，得到所述膜阴极；
(4)将上述制得的MFC阳极、膜阴极及其他材料组装成MFC。
对比例1
生物燃料电池(MFC)的制备，具体步骤如下：
(1)胶黏剂聚四氟乙烯PTFE的处理：先取60％商用聚四氟乙烯乳液溶解在去离子水中，稀释到15％的质量浓度，超声60min，使其混合均匀；
(2)MFC阳极催化剂的制备：将30g的多壁碳纳米管加入胶黏剂和去离子水混合液中，混合超声90min得到微生物燃料电池阳极催化剂多壁碳纳米管/PVA混合溶液；
(3)MFC阳极的制备：将碳毡用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；称取步骤(2)所制的混合均匀的阳极催化剂碳基材料/PVA混合溶液刷在前处理的碳毡上(3cm×3cm)，然后烘干；
(4)膜阴极的制备：称取2.7mg质量分数为20％的商业铂载碳、16mg的聚偏二氟乙烯(PVDF)和0.8mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)粘结剂混合搅拌成糊状，并通过超声分散30分钟，得到糊状混合物；然后将糊状混合物均匀涂抹于前处理的碳纸(3cm×3cm)上，然后在100摄氏度下烘干；最后，将载有商业铂载碳(阴极催化剂)的阴极与阳离子交换膜在温度120℃、压强12兆帕下热压1分钟后，冷却至室温取出；
(5)将上述制得的阴极、阳极及其他材料组装成MFC。
性能测试：
(1)红外光谱表征：为了研究分析聚乙烯醇的组成结构，将实施例1得到的胶黏剂进行红外光谱的表征，检测结果如图1所示。从图1可以看到，在3362cm-1附近出现一个较宽的特征峰，是—OH伸缩振动特征吸收峰；在633cm-1处的则是O-H弯曲振动特征吸收峰。由红外光谱图可以看出胶黏剂含有亲水基团—OH。
(2)热重TGA测试：为了研究本发明的胶黏剂的热稳定性，将实施例1中制得的胶黏剂烘干，取适量烘干的薄膜进行TGA测试，测试结果如图2所示。从测试结果可以看出胶黏剂具有较好的热稳定性，在112℃前基本保持质量不变，说明在此温度前，胶黏剂不分解，结构没有受到破坏，具有较强的结构稳定性。
(3)XRD测试：为了研究胶黏剂的晶态结构，将实施例1制备的胶黏剂烘干去薄膜进行XRD表征，检测结果如图3。从图中可以看到，在20°和41°出现两个较宽的衍射峰，分别为碳的(101)和(100)的晶面衍射峰。
(4)亲水性能测试：为了证明本发明的胶黏剂具有较高的亲水性能，将实施例1得到的胶黏剂烘干得到薄膜进行接触角测试，同时，也将对比例1中的胶黏剂PTFE烘干得到薄膜进行接触角测试，测试结果如图4所示。测试结果显示：实施例1得到的胶黏剂的接触角仅有22.2°，而对比例1中的胶黏剂PTFE的接触角为66.6°。接触角越小，表明亲水性能越好，因此由接触角的结果可以很容易得出，实施例1得到的胶黏剂具有很好的亲水性能。
(5)电化学性能测试：图5为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC极化曲线对比图，其中a为对比例1的MFC的极化曲线，b为实施例1的MFC的极化曲线。从图5可以看出使用实施例1的MFC开路电位为0.607V，对比例1的MFC开路电位为0.624V。
图6为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC功率密度对比图，其中a为对比例1的MFC的功率密度曲线，b为实施例1的MFC的功率密度曲线。由图6可见，实施例1多壁碳纳米管/PVA为催化剂的MFC的功率密度(1499mW/m2)远远大于对比例1使用多壁碳纳米管/PTFE为催化剂的MFC的功率密度(833mW/m2)，约为对比例1使用多壁碳纳米管/PTFE为催化剂MFC的功率密度的2倍。
图7为实施例1、实施例2与实施例3制备的MFC功率密度曲线对比图，其中a为实施例3的MFC的功率密度曲线，b为实施例1的MFC的功率密度曲线，c为实施例2的MFC的功率密度曲线。从图7可以看出使用实施例2的MFC的功率密度为1499mW/m2，使用实施例3的MFC的功率密度为1193mW/m2，使用实施例1的MFC的功率密度为1077mW/m2。可以通过实施例对比得出实施例2所获得的功率密度是最大的。
表1为实施例1、实施例2与实施例3制备的MFC和对比例1制备的MFC产电各个性能对比。
表1实施例1-3、对比例1制备的MFC产电各个性能对比
(6)为了证明功率密度的提高是因为实施例1制备的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂用于MFC阳极催化剂促进了生物膜的快速形成，对实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC在微生物接种7天后各自的阳极表面形貌进行了SEM测试，结果如图8所示，其中(A)为对比例1的MFC的阳极表面SEM图，(B)为实施例1制备的MFC的阳极表面SEM图。从(B)可以看到阳极表面有生物膜生成而且有无数“纳米导线”，不仅将微生物之间连接起来，还将碳毡之间连接起来，促进了微生物与电极之间的电子传递，从而提高了MFC的功率输出。而对比例1未使用实施例1制备的多壁碳纳米管/PVA，而是使用另一种胶黏剂PTFE，其碳毡表面明显较少微生物附着，功率输出也相对非常低。因此，本发明的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂用于阳极催化剂促进了微生物燃料电池阳极生物膜的形成，大大提高了MFC的能量输出；价格低廉，稳定性强，生物相容性好，是贵金属Pt的替代催化剂，为微生物燃料电池的商业化打下良好的基础。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇溶解在去离子水中，搅拌加热使聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；
(2)将步骤(1)制得的胶黏剂与去离子水混合，超声使其混合均匀得到胶黏剂溶液，然后加入碳基催化剂材料，再超声混合，得到所述均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。
2.根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的聚乙烯醇和去离子水的质量比为0.3～1。
3.根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的聚乙烯醇的平均分子量为17～30万，醇解度为80％～100％。
4.根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的加热溶解聚乙烯醇的温度为50～75℃，搅拌时间为2～6h。
5.根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述胶黏剂与去离子水混合后得到的胶黏剂溶液中，胶黏剂的质量浓度为2％～30％。
6.根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述胶黏剂与去离子水混合后超声时间为30～90min；所述的加入碳基催化剂材料后的超声混合时间为45～120min。
7.根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述碳基催化剂材料为碳纳米管、石墨烯或多孔碳；所述碳基催化剂材料的加入量为：每1mL胶黏剂溶液加入21～30g碳基催化剂材料。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。
9.权利要求1～7任一项所述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂在制备微生物燃料电池阳极中的应用。
10.根据权利要求9所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂在制备微生物燃料电池阳极中应用，其特征在于，所述应用的具体方法为：
(a)将碳毡依次用质量分数为1％的HCl和质量分数为1％的NaOH溶液各浸泡1h，然后洗至中性烘干待用；
(b)将均匀碳基材料/PVA阳极催化剂超声均匀后粘于步骤(a)处理后的碳毡上，然后80℃烘干，得到微生物燃料电池阳极。
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