CN105355929A - 一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，属于生物燃料电池领域。本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，包括设置在外壳内的反应器和设置在外壳外的电池正极和电池负极，所述电池正极的底部连接于反应器的一端；所述电池负极的底部连接于反应器的另一端。本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池具有电极表面活化面积较大，增大微生物与电极表面间的静电作用，增加微生物吸附性，催化性能好，从而提高电量产量，并降低生产成本的特点。

Description

一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种生物燃料电池，特别是一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池。
背景技术
随着世界人口数的持续增加，人类日益受到能源资源不足以及环境恶化的影响，因此开发新能源得到广泛的重视，而利用可再生的生物质能发电是一种有效的手段。微生物燃料电池(Microbialfuelcells，MFC)作为一种利用微生物代谢产生电能的新方法，近年来受到更多人们的关注。它是一种利用微生物作为催化剂将化学能转变为电能的装置，微生物可以代谢有机物质，同时产生电能。但是，现有的微生物燃料电池普遍具有产电量低的缺点；同时现有技术中的阳极表面积一般较小，不利于微生物的大量附着，且催化效能适用面窄；现有技术中多采用铂作为阴极催化剂，虽然催化效果好，但是过于昂贵。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电极表面活化面积较大，增大微生物与电极表面间的静电作用，增加微生物吸附性，催化性能好，从而提高电量产量，并降低生产成本的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，包括设置在外壳内的反应器和设置在外壳外的电池正极和电池负极，所述电池正极的底部连接于反应器的一端；所述电池负极的底部连接于反应器的另一端。
由于采用了上述技术方案，反应器产生电能，通过连接电池正极和电池负极即可形成回路，将反应器产生的电能释放。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述反应器包括密封壳和设置在密封壳内的阳极和阴极，所述阳极和阴极表面附着有微生物，所述阳极与阴极之间设有离子交换膜，所述阳极与电池正极相连，所述阴极与电池负极相连，所述密封壳内充满介质。
由于采用了上述技术方案，离子交换膜将反应器分隔成为阳极室和阴极室，在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述阳极为表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶，所述阴极为VO2/S-AC泡沫镍空气阴极。
由于采用了上述技术方案，本发明的阳极电极表面活化面积较大，增大微生物与电极表面间的静电作用，增加微生物吸附性，催化性能好；本发明的阴极催化性能好，且钒的价格低于铂，降低了生产成本。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述微生物为腐败希瓦氏菌，所述介质为对氧化三甲胺。
由于采用了上述技术方案，氧化三甲胺腐败希瓦氏菌的作用下，降解产生三甲胺，进而生成二甲胺和甲醛等，阴极室中的氧气在阴极的催化作用下，得到电子被还原与质子结合成水。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述电池正极和电池负极之间设有绝缘阻燃层，所述绝缘阻燃层覆于密封壳上表面；所述外壳的底部设有介质交换器，所述介质交换器通过通道与密封壳内部相连通。
由于采用了上述技术方案，绝缘阻燃层能够将绝缘阻燃，提高电池的安全性能；通过介质交换器能够不断补充新的介质进入反应器，保证电池的持续工作，延长电池的使用寿命。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述离子膜交换膜包括全氟磺酸质子膜一，所述全氟磺酸质子膜一的下层覆盖有二氧化硅层，所述二氧化硅的下层覆盖有全氟磺酸质子膜二；所述二氧化硅层的厚度为450nm，所述全氟磺酸质子膜一表面覆有邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯层，所述全氟磺酸质子膜二表面覆有藻酸双酯钠层。
由于采用了上述技术方案，SiO2表面羟基与全氟磺酸质子膜表面的磺酸根相互作用起到了物理交联聚合物效果，邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯层和藻酸双酯钠层能够实现对全氟磺酸质子膜上磺酸基团的交联，提高了膜的含水量，使得质子更容易自由通过，提高了离子膜的质子传导率和能量效率，同时避免微生物代谢产物对离子膜的污染，保证了离子膜的质子传导率，提高了电池的能量效率。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶具有三维网状多孔结构，孔径大小为9μm；所述VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的VO2/S-AC层呈纳米薄片状，所述VO2/S-AC层的厚度为300nm，所述VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的聚二甲基硅氧烷与炭黑的负载量为6.25mg/cm2和1.56mg/cm2。
由于采用了上述技术方案，三维石墨烯导电性好，生物相容性高，容易形成三维多孔的气凝胶结构，钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶具有亲水性表面，降低了氧化石墨烯表面疏水性，电解液更容易浸润，导电性较好，提高了其在阳极电解液中的反应活性面积。
VO2/S-AC泡沫镍空气阴极，VO2具有较高的氧化还原催化活性，将VO2与S-AC混合作为催化层，利用化学反应将碳导电材料与催化剂构成复合材料，增加了电化学活性电位及表面积，能够使微生物燃料电池获得较好的产电性能，为了进一步降低微生物燃料电池阴极的生产成本，更贴近于微生物燃料电池的实际应用，选用价格相对便宜，电导率更高的泡沫镍作为集电体材料，在控制电极成本的前提下，获得更高的微生物燃料电池的产电效率。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述阳极通过以下步骤制备而成：
步骤一：按浓硫酸：石墨粉：硝酸钠质量比65:1：0.6在冰浴的条件下向浓硫酸中加入石墨粉和硝酸钠，搅拌溶解30min后，按照石墨粉：高锰酸钾质量比1:5，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌10h后，按照浓硫酸：去离子水体积比1：1向混合溶液中加入去离子水，将混合物置于真空度为0.93的条件下，按照1.2℃/h的速率缓慢升温至52℃，保持52℃恒温继续搅拌22h后，按照浓硫酸比双氧水体积比1:0.1向混合溶液中加入双氧水，在52℃温度下搅拌2.5h后离心，将固液分离取固体，固体分别用5%的稀盐酸和去离子水冲洗，干燥后得到氧化石墨烯；
步骤二：用去离子水将氧化石墨烯配置成浓度为1.3mg/mL的溶液，按照质量比8:1向溶液中加入四氮化三钛，在室温超声2h后，微波反应100W的条件下反应10min后，将混合溶液置于聚四氟乙烯内衬的热反应釜中，充入氩气作为保护气后密封，抽真空达到真空度0.8，升温至180℃反应36h，在氩气保护气存在下冷却至常温，制得表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶。
由于采用了上述技术方案，制得的阳极——表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶具有三维网状多孔结构，且三维网状结构不会出现崩解现象；孔径大小为9μm，适合细菌进入。
本发明的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，所述阴极通过以下步骤制成：
步骤一：按照质量比1:1将聚乙烯醇，聚四氟乙烯混合均匀后配制成浓度为10%的催化乳浊液，将VO2与S-AC按照质量比2:1混合均匀，按照质量比1:3称取VO2/S-AC混合物和催化乳浊液，将VO2/S-AC混合物和催化乳浊液经过超声波混合40min，将混合溶液加热至65℃，持续搅拌2h破乳，得到催化层原料；
步骤二：通过压片机将泡沫镍压制成0.6mm的薄片，将催化层原料均匀地刮涂于泡沫镍上表面，随后在压力为70kPa，功率为100W的条件下微波反应5min，将薄片表面多余的粉末轻轻扫掉，得到覆有催化层的泡沫镍；
步骤三：用DMF将聚二甲基硅氧烷配置成浓度为10%的溶液，按照聚二甲基硅氧烷：炭黑质量比1:4向溶液中加入炭黑，混合均匀后，得到扩散层原料，将扩散层原料均匀涂抹在覆有催化层的泡沫镍下表面，涂抹厚度为0.1mm，随后放入干燥箱中在80℃的条件下烘干，得到VO2/S-AC泡沫镍空气阴极。
由于采用了上述技术方案，制备出的阴极——VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的VO2/S-AC层呈纳米薄片状，两种催化剂复合后的外比表面积显著提高，活性位增加，VO2在活性炭表面的形成微孔结构，大幅度增加了孔隙率，加快了物质传递。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、电极表面活化面积较大，增大微生物与电极表面间的静电作用，增加微生物吸附性，催化性能好，电能产率高。
2、降低微生物燃料电池阴极的生产成本，更贴近于微生物燃料电池的实际应用，在控制电极成本的前提下，获得更高的微生物燃料电池的产电效率。
3、绝缘阻燃，提高电池的安全性能；不断补充新的介质进入反应器，保证电池的持续工作，延长电池的使用寿命。
4、提高了离子膜的质子传导率和能量效率，同时避免微生物代谢产物对离子膜的污染，保证了离子膜的质子传导率，提高了电池的能量效率。
附图说明
图1是一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池的结构示意图；
图2是一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池的工作原理示意图；
图3是表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶的三维网状多孔结构的SEM图；
图4是VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的VO2/S-AC层的SEM图。
图中标记：1为反应器，2为阳极，3为阴极，4为微生物，5为介质，6为密封壳，7为离子交换膜，8为电池正极，9为电池负极，10为绝缘阻燃层，11为外壳，12为填充介质，13为介质交换器，14为通道。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1至图4所示，一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，包括设置在外壳11内的反应器1和设置在外壳11外的电池正极8和电池负极9，电池正极8的底部连接于反应器1的一端；电池负极9的底部连接于反应器1的另一端。
反应器1包括密封壳6和设置在密封壳6内的阳极2和阴极3，阳极2和阴极3表面附着有微生物4，阳极2与阴极3之间设有离子交换膜7，阳极2与电池正极8相连，阴极3与电池负极9相连，密封壳6内充满介质5。
阳极2为表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶，阴极3为VO2/S-AC泡沫镍空气阴极。
微生物4为腐败希瓦氏菌，介质5为对氧化三甲胺。介质5氧化三甲胺在腐败希瓦氏菌4的作用下，降解产生三甲胺，进而生成二甲胺和甲醛等，阴极室中的氧气在阴极的催化作用下，得到电子被还原与质子结合成水。当外部电路与电池正极8和电池负极9相连通使，电子移动产生电流，从而将反应器产生的电能释放。
电池正极8和电池负极9之间设有绝缘阻燃层10，绝缘阻燃层10覆于密封壳6上表面，绝缘阻燃层10包括37%乙烯基树脂，21%硅胶，5%塑化剂，3%二盐基硬脂酸铅，3%含氧硅油，4%铂络合物，5%乙炔基环己醇，3%云母，9%硅氧烷低聚物和10%邻苯二甲酸二甲酯；外壳11与密封壳6之间充满填充介质12，填充介质12与绝缘阻燃层10的材料相同，填充介质12包括37%乙烯基树脂，21%硅胶，5%塑化剂，3%二盐基硬脂酸铅，3%含氧硅油，4%铂络合物，5%乙炔基环己醇，3%云母，9%硅氧烷低聚物和10%邻苯二甲酸二甲酯；外壳11的底部设有介质交换器13，介质交换器13通过通道14与密封壳6内部相连通，介质5氧化三甲胺可以在介质交换器13的作用下，不断补充到反应器内，而反应器内的产生的多余的水通过介质交换器13的作用下，离开反应器，从而保证反应器持续有效的工作。
离子膜交换膜7包括全氟磺酸质子膜一，全氟磺酸质子膜一的下层覆盖有二氧化硅层，二氧化硅的下层覆盖有全氟磺酸质子膜二；二氧化硅层的厚度为450nm，全氟磺酸质子膜一表面覆有邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯层，全氟磺酸质子膜二表面覆有藻酸双酯钠层。
表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶具有三维网状多孔结构，孔径大小为9μm；VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的VO2/S-AC层呈纳米薄片状，VO2/S-AC层的厚度为300nm，VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的聚二甲基硅氧烷与炭黑的负载量为6.25mg/cm2和1.56mg/cm2。
实施例2
阳极2——表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶通过以下步骤制备而成：
步骤一：按浓硫酸：石墨粉：硝酸钠质量比65:1：0.6在冰浴的条件下向浓硫酸中加入石墨粉和硝酸钠，搅拌溶解30min后，按照石墨粉：高锰酸钾质量比1:5，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌10h后，按照浓硫酸：去离子水体积比1：1向混合溶液中加入去离子水，将混合物置于真空度为0.93的条件下，按照1.2℃/h的速率缓慢升温至52℃，保持52℃恒温继续搅拌22h后，按照浓硫酸比双氧水体积比1:0.1向混合溶液中加入双氧水，在52℃温度下搅拌2.5h后离心，将固液分离取固体，固体分别用5%的稀盐酸和去离子水冲洗，干燥后得到氧化石墨烯；
步骤二：用去离子水将氧化石墨烯配置成浓度为1.3mg/mL的溶液，按照质量比8:1向溶液中加入四氮化三钛，在室温超声2h后，微波反应100W的条件下反应10min后，将混合溶液置于聚四氟乙烯内衬的热反应釜中，充入氩气作为保护气后密封，抽真空达到真空度0.8，升温至180℃反应36h，在氩气保护气存在下冷却至常温，制得表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶。
实施例3
阴极3——VO2/S-AC泡沫镍空气阴极通过以下步骤制成：
步骤一：按照质量比1:1将聚乙烯醇，聚四氟乙烯混合均匀后配制成浓度为10%的催化乳浊液，将VO2与S-AC按照质量比2:1混合均匀，按照质量比1:3称取VO2/S-AC混合物和催化乳浊液，将VO2/S-AC混合物和催化乳浊液经过超声波混合40min，将混合溶液加热至65℃，持续搅拌2h破乳，得到催化层原料；
步骤二：通过压片机将泡沫镍压制成0.6mm的薄片，将催化层原料均匀地刮涂于泡沫镍上表面，随后在压力为70kPa，功率为100W的条件下微波反应5min，将薄片表面多余的粉末轻轻扫掉，得到覆有催化层的泡沫镍；
步骤三：用DMF将聚二甲基硅氧烷配置成浓度为10%的溶液，按照聚二甲基硅氧烷：炭黑质量比1:4向溶液中加入炭黑，混合均匀后，得到扩散层原料，将扩散层原料均匀涂抹在覆有催化层的泡沫镍下表面，涂抹厚度为0.1mm，随后放入干燥箱中在80℃的条件下烘干，得到VO2/S-AC泡沫镍空气阴极。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于：包括设置在外壳（11）内的反应器（1）和设置在外壳（11）外的电池正极（8）和电池负极（9），所述电池正极（8）的底部连接于反应器（1）的一端；所述电池负极（9）的底部连接于反应器（1）的另一端。
2.如权利要求1所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于：所述反应器（1）包括密封壳（6）和设置在密封壳（6）内的阳极（2）和阴极（3），所述阳极（2）和阴极（3）表面附着有微生物（4），所述阳极（2）与阴极（3）之间设有离子交换膜（7），所述阳极（2）与电池正极（8）相连，所述阴极（3）与电池负极（9）相连，所述密封壳（6）内充满介质（5）。
3.如权利要求2所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极（2）为表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶，所述阴极（3）为VO2/S-AC泡沫镍空气阴极。
4.如权利要求2或3所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于：所述微生物（4）为腐败希瓦氏菌，所述介质（5）为对氧化三甲胺。
5.如权利要求4所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于：所述电池正极（8）和电池负极（9）之间设有绝缘阻燃层（10），所述绝缘阻燃层（10）覆于密封壳（6）上表面；所述外壳（11）的底部设有介质交换器（13），所述介质交换器（13）通过通道（14）与密封壳（6）内部相连通。
6.如权利要求5所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于：所述离子膜交换膜（7）包括全氟磺酸质子膜一，所述全氟磺酸质子膜一的下层覆盖有二氧化硅层，所述二氧化硅的下层覆盖有全氟磺酸质子膜二；所述二氧化硅层的厚度为450nm，所述全氟磺酸质子膜一表面覆有邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯层，所述全氟磺酸质子膜二表面覆有藻酸双酯钠层。
7.如权利要求3或5或6所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于：所述表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶具有三维网状多孔结构，孔径大小为9μm；所述VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的VO2/S-AC层呈纳米薄片状，所述VO2/S-AC层的厚度为300nm，所述VO2/S-AC泡沫镍空气阴极表面的聚二甲基硅氧烷与炭黑的负载量为6.25mg/cm2和1.56mg/cm2。
8.如权利要求7所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极（2）通过以下步骤制备而成：
步骤一：按浓硫酸：石墨粉：硝酸钠质量比65:1：0.6在冰浴的条件下向浓硫酸中加入石墨粉和硝酸钠，搅拌溶解30min后，按照石墨粉：高锰酸钾质量比1:5，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌10h后，按照浓硫酸：去离子水体积比1：1向混合溶液中加入去离子水，将混合物置于真空度为0.93的条件下，按照1.2℃/h的速率缓慢升温至52℃，保持52℃恒温继续搅拌22h后，按照浓硫酸比双氧水体积比1:0.1向混合溶液中加入双氧水，在52℃温度下搅拌2.5h后离心，将固液分离取固体，固体分别用5%的稀盐酸和去离子水冲洗，干燥后得到氧化石墨烯；
步骤二：用去离子水将氧化石墨烯配置成浓度为1.3mg/mL的溶液，按照质量比8:1向溶液中加入四氮化三钛，在室温超声2h后，微波反应100W的条件下反应10min后，将混合溶液置于聚四氟乙烯内衬的热反应釜中，充入氩气作为保护气后密封，抽真空达到真空度0.8，升温至180℃反应36h，在氩气保护气存在下冷却至常温，制得表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶。
9.如权利要求7所述的一种基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池，其特征在于，所述阴极（3）通过以下步骤制成：
步骤一：按照质量比1:1将聚乙烯醇，聚四氟乙烯混合均匀后配制成浓度为10%的催化乳浊液，将VO2与S-AC按照质量比2:1混合均匀，按照质量比1:3称取VO2/S-AC混合物和催化乳浊液，将VO2/S-AC混合物和催化乳浊液经过超声波混合40min，将混合溶液加热至65℃，持续搅拌2h破乳，得到催化层原料；
步骤二：通过压片机将泡沫镍压制成0.6mm的薄片，将催化层原料均匀地刮涂于泡沫镍上表面，随后在压力为70kPa，功率为100W的条件下微波反应5min，将薄片表面多余的粉末轻轻扫掉，得到覆有催化层的泡沫镍；
步骤三：用DMF将聚二甲基硅氧烷配置成浓度为10%的溶液，按照聚二甲基硅氧烷：炭黑质量比1:4向溶液中加入炭黑，混合均匀后，得到扩散层原料，将扩散层原料均匀涂抹在覆有催化层的泡沫镍下表面，涂抹厚度为0.1mm，随后放入干燥箱中在80℃的条件下烘干，得到VO2/S-AC泡沫镍空气阴极。
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