CN106684419A - 一种光助微生物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光助微生物燃料电池，它包括：光响应的半导体光助阴极(6)及其阴极室(4)、三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极(5)及其微生物(1)、阳极室(2)、质子交换膜3和负载(7)，在阳极室(2)放置能氧化的有机物和产电的微生物(1)，三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极(5)和光响应的半导体光助阴极(6)分别放置在阳极室(2)和阴极室(4)中，在电池槽外阳极和阴极之间串联负载(7)，构成三维氮掺杂石墨烯阳极辅助的光助微生物燃料电池体系。本发明采用具有可见光响应的P型半导体光助阴极，构建新型光助微生物燃料电池体系。实现生物质能和太阳能的同时利用，显著提高能量利用效率和功率输出密度。
Description
技术领域
本发明涉及生物能源领域，具体涉及一种利用三维氮掺杂石墨烯作为生物阳极，并用其辅助构建新型的利用太阳能增强能量输出的光助微生物燃料电池。
背景技术
目前，能源危机和环境污染是几乎所有的工业化国家面临的两大严峻挑战，因此寻求可持续发展的清洁、高效、绿色能源技术已成为全世界的共识。在众多亟待开发的能源技术中，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)因具有污水发电，能源再生的独特优点，使其在未来可能成为有机废弃物能源化的支柱性产业。1911年，英国植物学家Potter用Pt作电极，将其放进酵母和大肠杆菌的培养液中，发现利用微生物可以产生电流，生物燃料电池的研究由此开始。
一种典型的微生物燃料电池装置是采用双室结构，包括阳极室和阴极室，中间用质子交换膜隔开。在MFC阳极，微生物利用自身的新陈代谢作用氧化有机废物产生电子，释放出的电子通过多种胞外电子传递机制到达阳极，之后，经由外部回路传输到阴极。与此同时，有机物氧化释放出的质子通过质子交换膜也由阳极室进入阴极室，在阴极得到电子发生还原反应，由此构成电流回路，在产生电能的同时处理了有机废物。
MFC具有易于工程化、微生物催化剂在工作过程中能够得到繁殖并且可以对多种有机物催化氧化、污水处理能力强等独特优点，使其展现了较好的发展前景。但MFC要作为电源应用于实际生产与生活还较遥远,主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求，它比一般化学燃料电池小两个数量级左右。根据MFC的基本构造可以得出，决定微生物燃料电池输出功率密度的因素主要在于阳极生物电子的产出与传递和阴极得到电子发生还原反应的速率。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用光电半导体电极作为MFC光助阴极，并搭配三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫MFC阳极实现高功率输出的新型MFC体系及其构造方法。在MFC阳极实现有机燃料的化学能转变为电能的高效转化，同时在MFC阴极实现太阳能向电能的转化。从MFC阳极和阴极两个方面出发，双管齐下，有效提高能量利用效率，增强能量输出。
本发明的技术方案如下：
一种光助微生物燃料电池，如图1所示，它包括：光响应的半导体光助阴极6及其阴极室4、三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极5及其微生物1、阳极室2、质子交换膜3和负载7，其中，在阳极室2与阴极室4之间由质子交换膜3分隔，在阳极室2放置能氧化的有机物并产电的微生物1，阳极室2和阴极室4中均放置电解质溶液，三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极5和光响应的半导体光助阴极6分别放置在阳极室2和阴极室4中，在电池槽外阳极和阴极之间串联负载，构成三维氮掺杂石墨烯阳极辅助的光助微生物燃料电池体系。
本发明的光助微生物燃料电池，一方面，在阳极室，利用三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫作为阳极，可使微生物最大效率氧化初始电子供体，实现高效率阳极生物产电。另一方面，在太阳光照射下，光助阴极被激发，产生光生空穴-电子对，光生空穴更容易复合来自外电路的电子，起到拉动阳极电子的作用。光生电子因具有较高的能量更容易还原阴极电子接受体，从而加速整个回路中的电子流动，提高能量输出。
上述的光助微生物燃料电池，所述的光助阴极6是由具有微米花形貌的P型半导体CuS修饰的碳纸电极。
上述的光助微生物燃料电池，所述的光助阴极6是可见光响应的P型半导体光助阴极，它是按如下方法制备的：按质量体积比为8mg:1mL，将CuCl2加入到乙二醇溶剂中，配置溶液A；按质量体积比为9mg:1mL，将硫脲加入到乙二醇溶剂中，配置溶液B；随后，以溶液A和溶液B的体积比1:1，将溶液B缓慢滴入到溶液A中，持续搅拌1h，转移入反应釜，于160℃～180℃下维持20～24h，反应结束后，用乙醇离心洗涤，即得到P型半导体CuS。
上述的光助微生物燃料电池，所述的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极5如下方法制备：首先，采用改进Hummers方法制备氧化石墨烯，按照质量体积比为1.5～2.5mg:1mL，将氧化石墨烯加入到乙二醇溶剂中，经过超声分散，配置成氧化石墨烯溶液。按照质量体积比为2.5～10mg:1mL，将双氰胺加入到上述石墨烯溶液中，随后加入醋酸钠以调整pH为6～7，搅拌均匀，转移入10mL玻璃小瓶，再放置于反应釜中，200℃维持6h。待反应结束，透析72h，除去多余杂质，采用冷冻干燥的方法，得到三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫，以不锈钢丝网作为集流体，利用导电碳胶将上述制备得到的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫粘接于集流体表面，正反两面对齐粘接，组装成一个具有三维立体通透网络结构的生物阳极。
上述的光助微生物燃料电池，所述的阳极微生物是典型产电模式菌Shewanellaoneidensis MR-1，培养基成分为3g/L KH2PO4,15g/L Na2HPO4,5g/L NaCl,0.12g/L MgSO4,培养基用无菌氮气通气0.5h除去溶解氧，密封以维持阳极厌氧状态。
上述的光助微生物燃料电池，所述的阳极电解质溶液可以是PBS缓冲溶液，阴极电解质溶液可以是50mM铁氰化钾溶液。
本发明利用高性能三维整体阳极结合光助阴极实现高效能量利用效率和能量输出的光助微生物燃料电池体系的构造方法，这种方法包括光响应的P型半导体光助阴极的构建和高性能三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极的构建，具体包括以下步骤：
(1)培养能够降解有机废物并产电的微生物
(2)在阳极室中放置上述培养好的微生物，在阳极室和阴极室中均放置电解质溶液，阳极室和阴极室之间由质子交换膜隔开。
(3)阴极室中首次采用可见光响应的光助阴极。太阳光照射下，光助阴极产生电子-空穴对，光生空穴带有正电性，更容易复合外电路中的电子，拉动阳极电子。光生电子具有较高的能量，更容易还原阴极电子接受体。从而使整个回路中电子流动加速运行，能量损失减少。同时利用生物质能和太阳能，提高能量利用效率，增强能量输出。
(4)阳极室中首次使用三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫构建的生物阳极。一方面这种三维整体结构，具有空间上相互连通的大孔结构，微生物催化剂可在整个电极的内外部附着，提高催化效率。另一方面，氮掺杂石墨烯可以调节石墨烯电子结构，起到电子传递中介体的作用，进一步加强阳极生物电子传递。
(5)在阳极室和阴极室外串联电路负载，从而构成整个光助微生物燃料电池体系。
本发明的优点在于：
(1)提高阴极接受电子能力：将太阳能引入MFC阴极体系，采用具有可见光响应的P型半导体光助阴极，实现阴极接受电子能力的增强。
(2)提高阳极生物产电：采用三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫，加大了微生物催化剂负载量和微生物胞外电子传递速率，从而提高阳极生物产电。
(3)提高能量利用效率：同时利用生物质能和太阳能两种清洁能源实现发电，提高能量利用效率。
(4)结构简单：本发明的装置无需更新改造传统的典型双室MFC结构，只需搭配使用对阴极电子接受体具有光响应的光助阴极，即可完成光助微生物燃料电池的搭建。
本发明的三维氮掺杂石墨烯阳极辅助构建新型光助微生物燃料电池体系从阳极和阴极两种限制功率输出性能的因素出发，双管齐下，利用太阳能和生物质能同时发电，提高能量利用效率，增加能量输出。
附图说明
图1为本发明设计的三维氮掺杂石墨烯阳极辅助构建新型光助微生物燃料电池体系示意图；
图2为本发明得到的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极的宏观结构图(A)和高倍扫描电镜图(B)；
图3为本发明得到的P型半导体光响应阴极CuS的高倍扫描电镜图(A)和紫外-可见吸收光谱图(B)；
图4为本发明得到的三维氮掺杂石墨烯阳极辅助构建新型光助微生物燃料电池体系与现有的传统微生物燃料电池体系的极化曲线与输出功率密度对比图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的三维氮掺杂石墨烯阳极辅助构建新型光助微生物燃料电池体系包括：微生物1、阳极室2、质子交换膜3、阴极室4、三维整体氮掺杂石墨烯阳极5、可见光响应的光助阴极6、外电路负载7。其中，在阳极室2和阴极室4之间由质子交换膜3隔开，三维整体氮掺杂石墨烯阳极5和可见光响应的光助阴极6分别放置在阳极室2和阴极室3中，在5和6之间串联外电路负载7。
本实施例的三维氮掺杂石墨烯阳极辅助构建新型光助微生物燃料电池体系的构造方法，包括以下步骤：
(1)阳极微生物是典型产电模式菌Shewanella oneidensis MR-1，培养基成分为3g/L KH2PO4,15g/L Na2HPO4,5g/L NaCl,0.12g/L MgSO4,培养基用无菌氮气通气0.5h除去溶解氧，密封以维持阳极厌氧状态。
(2)三维氮掺杂石墨烯阳极的制备与组装：首先，采用改进Hummers方法制备氧化
石墨烯【参见：1.Hummers Jr,W.S.；Offeman,R.E.Preparation of graphiticoxide.Journal of the American Chemical Society.1958,80(6),1339；2.Xu,Y.；Bai,H.；Lu,G.；Li,C.；Shi,G.Flexible graphene films via the filtration of water-soluble noncovalent functionalized graphene sheets.Journal of the AmericanChemical Society.2008,130(18),5856-5857.】。按照质量体积比为1.5～2.5mg:1mL，将氧化石墨烯加入到乙二醇溶剂中，经过超声分散，配置成氧化石墨烯溶液。按照质量体积比为2.5～10mg:1mL，将双氰胺加入到上述石墨烯溶液中，随后加入醋酸钠以调整pH为6～7，搅拌均匀，转移入10mL玻璃小瓶，再放置于反应釜中，200℃维持6h。待反应结束，透析72h，除去多余杂质，采用冷冻干燥的方法，得到三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫。图2为得到的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极的宏观结构图和高倍扫描电镜图。
以不锈钢丝网作为集流体，利用导电碳胶将上述制备得到的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫粘接于集流体表面，正反两面对齐粘接，组装成一个具有三维立体通透网络结构的生物阳极。
(3)具有可见光响应的P型半导体光助阴极的制备与组装：按质量体积比为8mg:1mL，将CuCl2加入到乙二醇溶剂中，配置溶液A；按质量体积比为9mg:1mL，将硫脲加入到乙二醇溶剂中，配置溶液B；随后，将溶液B缓慢滴入到溶液A中，持续搅拌1h，转移入反应釜，170℃维持24h.反应结束后，用乙醇离心洗涤，即得到P型半导体CuS，干燥待用。图3为得到的P型半导体光响应阴极CuS的高倍扫描电镜图和紫外-可见吸收光谱图。
将上述得到的粉末超声分散于去离子水中，配置成6mg/L超声分散液。移取300μL滴涂于碳纸电极表面，与170℃加热烘干，此刻可观察碳纸电极表面自然形成一层膜结构，光助阴极制备完成。
(4)三维氮掺杂石墨烯阳极辅助构建新型光助微生物燃料电池体系的搭建：将步骤(2)中制备得到的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极在传统典型双室MFC中活化后，和步骤(3)中制备得到的可见光响应的P型半导体光助阴极结合，构建完整的三维氮掺杂石墨烯阳极辅助构建新型光助微生物燃料电池体系。在光照下测试该新型微生物燃料电池体系的极化曲线和输出功率密度曲线，并与传统的典型双室MFC极化曲线和输出功率密度曲线进行对比，如图4所示。
图4表明，本发明得到的以三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫作为阳极构建的传统双室MFC，其最大输出功率密度要高于现有技术所构建的MFC。进一步，我们把太阳能引入MFC阴极体系，同时利用生物质能和太阳能发电，构建三维氮掺杂石墨烯阳极辅助新型光助微生物燃料电池，这又将MFC最大输出功率密度继续提高至2607mW/m2,显著改善了现有技术能量利用来源单一、能量利用效率低、输出功率密度小等缺点。
以上所述实施例表达了本发明所提出的新型光助MFC的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此定义为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种三维整体氮掺杂石墨烯阳极和光助阴极电极材料的替换和修改都是可能的。因此，本发明不仅局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种光助微生物燃料电池，其特征是它包括：光响应的半导体光助阴极(6)及其阴极室(4)、三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极(5)及其微生物(1)、阳极室(2)、质子交换膜3和负载(7)，其中，在阳极室(2)与阴极室(4)之间由质子交换膜(3)分隔，在阳极室(2)放置能氧化的有机物和产电的微生物(1)，阳极室(2)和阴极室(4)中均放置电解质溶液，三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极(5)和光响应的半导体光助阴极(6)分别放置在阳极室(2)和阴极室(4)中，在电池槽外阳极和阴极之间串联负载(7)，构成三维氮掺杂石墨烯阳极辅助的光助微生物燃料电池体系。
2.根据权利要求1所述的光助微生物燃料电池，其特征是：所述的光助阴极(6)是由具有微米花形貌的P型半导体CuS修饰的碳纸电极。
3.根据权利要求2所述的光助微生物燃料电池，其特征是：所述的光助阴极(6)是可见光响应的P型半导体光助阴极，它是按如下方法制备的：按质量体积比为8mg:1mL，将CuCl2加入到乙二醇溶剂中，配置溶液A；按质量体积比为9mg:1mL，将硫脲加入到乙二醇溶剂中，配置溶液B；随后，以溶液A和溶液B的体积比1:1，将溶液B缓慢滴入到溶液A中，持续搅拌1h，转移入反应釜，于160℃～180℃下维持20～24h，反应结束后，用乙醇离心洗涤，即得到P型半导体CuS。
4.根据权利要求1所述的光助微生物燃料电池，其特征是：所述的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫阳极(5)如下方法制备：首先，采用改进Hummers方法制备氧化石墨烯，按照质量体积比为1.5～2.5mg:1mL，将氧化石墨烯加入到乙二醇溶剂中，经过超声分散，配置成氧化石墨烯溶液。按照质量体积比为2.5～10mg:1mL，将双氰胺加入到上述石墨烯溶液中，随后加入醋酸钠以调整pH为6～7，搅拌均匀，转移入10mL玻璃小瓶，再放置于反应釜中，200℃维持6h。待反应结束，透析72h，除去多余杂质，采用冷冻干燥的方法，得到三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫，以不锈钢丝网作为集流体，利用导电碳胶将上述制备得到的三维整体氮掺杂石墨烯自支撑泡沫粘接于集流体表面，正反两面对齐粘接，组装成一个具有三维立体通透网络结构的生物阳极。
5.根据权利要求1所述的光助微生物燃料电池，其特征是：所述的阳极微生物是典型产电模式菌Shewanella oneidensis MR-1，培养基成分为3g/L KH2PO4,15g/L Na2HPO4,5g/LNaCl,0.12g/L MgSO4,培养基用无菌氮气通气0.5h除去溶解氧，密封以维持阳极厌氧状态。
6.根据权利要求1所述的光助微生物燃料电池，其特征是：所述的阳极电解质溶液是PBS缓冲溶液，阴极电解质溶液是50mM铁氰化钾溶液。
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