CN106099149A - 一种二氧化锰生物电池制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二氧化锰生物电池制备方法，属于微生物燃料电池领域，通过制备二氧化锰阴极，控制二氧化锰与炭黑的比例以及二氧化锰与60％聚四氟乙烯的比例提供一种二氧化锰生物电池的制备方法。在pH＝10.5时二氧化锰生物电池最大输出电压达到最大值0.6V，功率密度达到最大值2W/m2，实验结果验证，二氧化锰泡沫镍阴极能提高微生物燃料电池的性能，是适合微生物燃料电池长期运行的阴极材料。

Description

一种二氧化锰生物电池制备方法
技术领域
本发明属于化学电池领域，确定一种由二氧化锰阴极及生物阳极组成的的二氧化锰生物电池的制备方法。
背景技术
化学电池，是指通过电化学反应正极、负极活性物质的化学能转化为电能的一类装置。化学电池的种类很多，常用的主要是干电池、蓄电池，以及体积小的微型电池。此外，还有金属——空气电池、燃料电池以及其他能量转换电池，如太阳电池、温差电池、核电池等。
锌锰干电池以锌皮制成的锌筒为外壳，既是负极又是保护壳，中央插一根碳棒做正极，碳棒顶端加一铜帽，在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外用氯化锌、氯化铵和淀粉调成糊状做电解质溶液，还填有二氧化锰，作去极化剂，(吸收正极放出的氢气，防止产生极化现象)，电池顶端用蜡和火漆封口。干电池的电压一般为1.5V～1.6V。这种电池在使用中锌皮不断腐蚀，电压逐渐下降，不能重新充电复原，因此不能长时间连续使用。这种电池电量小，在放电过程中容易产生气涨或漏液。
镍镉蓄电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。镍镉电池可反复充电或放电，操作简单方便；但是记忆效应严重，所以必须在完全没电时才可进行充电，以确保使用寿命。
镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展起来的。镍氢电池充电时，正极上的氢氧化镍(Ni(OH)2)转化为氧化氢氧化镍(NiO(OH))，电极表面的水分子会在负极上还原成氢原子，氢原子吸附在电极表面上形成吸附态的储氢合金(MH)，再扩散到负极贮氢合金内部而被吸收形成固体MH中的氢原子越来越多，氢原子将于合金反应，形成的β-MH在合金中扩散慢，扩散成为充电过程的控制步骤。放电时，NiO(OH)得到电子转变为Ni(OH)2，MH内部氢原子扩散到表面形成吸附态的氢原子，再发生电化学反应形成贮氢合金和水分子。氢原子的扩散步骤仍然是负极放电过程的控制步骤。
生物燃料电池是燃料电池中特殊的一类。它利用生物催化剂将化学能转变为电能，所以除了在理论上具有很高的能量转化效率之外，还有其它燃料电池不具备的若干特点：①原料广泛。可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等；②操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的。这使得电池维护成本低、安全性强；③生物相容性。利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官的电源。
按照使用催化剂形式的不同，生物燃料电池可以分为酶燃料电池和微生物燃料电池。酶燃料电池原料来源广泛、生物相容性好、在常温常压和中性溶液环境中工作、可以用多种天然有机物作为燃料，是一种可再生的绿色能源，可为微型电子装置提供电能。在疾病的诊断和治疗、环境保护以及航空航天等领域具有诱人的应用前景。微生物燃料电池能够利用废水及废弃物等生物质资源作为能源，降解污染物的同时产生电能，在环境保护和新能源开发的大力推动下，微生物燃料电池具有巨大的产业化前景。
本发明是以微生物燃料电池阴极材料为研究对象，在现有的微生物燃料电池的研究基础上，提出一种二氧化锰生物电池的制备方法。通过测试生物电池的产电性能，确定一种制作简单、无害、稳定且廉价的生物电池制备方法。
发明内容
本发明的目的是通过制备二氧化锰阴极，提供一种二氧化锰生物电池的制备方法。
本发明主要解决的技术问题是如何制备二氧化锰阴极，确定二氧化锰、炭黑及聚四氟乙烯溶液之间的最佳配比，实现生物电池输出电压在0.6V，最大功率密度达到2W/m2。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种二氧化锰生物电池制备方法，包括以下步骤：
(1)阴极基体材料选用泡沫镍，按二氧化锰与炭黑的一定质量比称取，加入无水乙醇混合搅拌10-30min；在搅拌情况下，逐滴加入一定质量的60％聚四氟乙烯溶液(二氧化锰：60％聚四氟乙烯的质量比为10-35∶1)，继续搅拌10-30min；
(2)将泡沫镍浸泡于上述混合物中，时间为5-10min，反复浸泡3-5次后，取出晾干制备而成二氧化锰阴极；
(3)以不锈钢为电池的阳极，接种城市污水和1g/L的乙酸，按照微生物燃料电池的运行方式富集产电微生物。
(4)富集好产电微生物的不锈钢阳极和二氧化锰阴极共同组成二氧化锰生物电池。
本发明所提供的一种二氧化锰生物电池制备方法的优点在于：实现输出电压在0.6V，最大功率密度达到2W/m2，在相同条件下生物电池的功率密度远大于微生物燃料电池的功率密度。
附图说明
附图1是二氧化锰生物电池产电曲线示意图。
附图2是不同pH条件下微生物燃料电池的功率密度曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
一种二氧化锰生物电池制备方法，包括以下步骤：
(1)阴极基体材料选用泡沫镍，将泡沫镍剪成直径3.0cm的圆形；
(2)按二氧化锰/炭黑一定质量比称取药品置于洁净烧杯中，加入无水乙醇至刚好浸没药品，磁力搅拌10-30min；
(3)按MnO2/60％聚四氟乙烯质量比为10-35∶1，称取聚四氟乙烯置于10ml离心管中。在搅拌情况下，逐滴滴加称取好的聚四氟乙烯溶液，并用无水乙醇清洗离心管将剩余聚四氟乙烯溶液加入烧杯中，继续搅拌10-30min；
(4)将剪好的泡沫镍用镊子逐片浸泡于烧杯中，时间为5-10min，反复浸泡3-5次后，取出晾干制备而成二氧化锰阴极；；
(5)以不锈钢为电池的阳极，接种城市污水和1g/L的乙酸，按照微生物燃料电池的运行方式富集产电微生物。
(6)富集好产电微生物的不锈钢阳极和二氧化锰阴极共同组成二氧化锰生物电池。
根据实验结果验证，二氧化锰泡沫镍阴极，在以乙酸钠基质为底物的微生物燃料电池中可保持性能稳定，随着pH值的增加，微生物燃料电池在pH＝10.5时最大输出电压达到最大值0.6V，功率密度达到最大值2W/m2。
根据实验结果验证，二氧化锰泡沫镍阴极能提高微生物燃料电池的性能，是适合微生物燃料电池长期运行的阴极材料。

Claims (2)

1.一种二氧化锰生物电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)阴极基体材料选用泡沫镍，按二氧化锰与炭黑的一定质量比称取，加入无水乙醇混合搅拌10-30min；在搅拌情况下，逐滴加入一定质量的60％聚四氟乙烯溶液(二氧化锰：60％聚四氟乙烯的质量比为10-35∶1)，继续搅拌10-30min；
(2)将泡沫镍浸泡于上述混合物中，时间为5-10min，反复浸泡3-5次后，取出晾干制备而成二氧化锰阴极；
(3)以不锈钢为电池的阳极，接种城市污水和1g/L的乙酸，按照微生物燃料电池的运行方式富集产电微生物。
(4)富集好产电微生物的不锈钢阳极和二氧化锰阴极共同组成二氧化锰生物电池。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化锰生物电池制备方法，其特征是：以二氧化锰作为阴极材料组成部分，在以乙酸为燃料的生物电池中实现稳定的对外电压输出，对外输出电压最大为0.6V，功率密度达到2W/m2。
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