CN106976856A - 炭化蚕茧材料用作微生物燃料电池阳极的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极的用途。所述炭化蚕茧是由蚕茧在惰性气体氛围中高温炭化形成，其应用于微生物燃料电池阳极可以提高微生物燃料电池的生物相容性和电子传递动力学表现，从而产电性能提升，同时炭化蚕茧制备简单，也将降低成本，易于工业化推广。炭化前的脱胶预处理过程进一步提高碳化蚕茧的高产电性能，同时提高蚕茧的柔韧性，使之更能适应不同的微生物燃料电池构型。

Description

炭化蚕茧材料用作微生物燃料电池阳极的用途

技术领域

本发明属于电池及其应用领域，具体涉及一种炭化蚕茧材料用作微生物燃料电池阳极电极材料的用途。

背景技术

微生物燃料电池，是一种以电活性微生物为催化剂，通过微生物分解有机物将废水中生物质能直接转化为电能的新型燃料电池系统。该种电池具有清洁环保等优点，在实际污水处理与污水发电中具有很大的应用前景。但是相比于其他燃料电池以及其他污水处理方法，微生物燃料电池的产电性能较低，制备成本较高，难以投入实际应用。其中就阳极材料一方面受限于其与电活性微生物的生物相容性以及电子传递动力学表现，其产电性能较低，另一方面则由于阳极材料的成本居高不下。因此，寻求高生物相容性且成本低廉的阳极是目前研究的一个重要方向。

常规的阳极材料主要分为碳基材料跟金属基材料。其中，金属基材料具有优越的导电性能和更加优异的机械强度，但是容易受到腐蚀影响。碳基材料具有相对较好的生物相容性，研究者们对碳基阳极材料做了大量工作。通过材料复合，表面修饰改性等方法，提高了碳基材料在微生物燃料电池阳极上的应用。但是，这些方法大多处理成本较高，工艺步骤较为复杂，过程控制要求较高，极大提高了电极的制作成本。因此开发一种高效，低成本的阳极，对微生物燃料电池的制作以及产业化应用的扩展具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳化蚕茧材料用作微生物燃料电池阳极的用途。该用途能够提高微生物燃料电池的生物相容性，从而提升电池产电性能，同时降低生产成本。

一种炭化蚕茧材料用作微生物燃料电池阳极的用途，所述的炭化蚕茧材料是有蚕茧在无氧条件下高温炭化获得的。

所述的无氧条件通过惰性气体气氛获得，煅烧温度在400-900℃，煅烧时间在2-6小时。

所述的炭化蚕茧的制备方法具体如下：

(1)将完整蚕茧至于沸腾的碳酸盐溶液中进行脱胶处理15-20min，碳酸盐溶液浓度为0.5-2g/L，待脱胶处理完全后，用去离子水反复清洗脱胶蚕茧多次，直至溶液pH值显示为中性。

(2)将未经任何处理的蚕茧或步骤(1)脱胶处理的完整蚕茧置于管式炉中，惰性气氛下以2-4℃/min，匀速升温至400-900℃，恒温2-6小时，待管式炉温度自行冷却到50℃以下后取出，得到碳化蚕茧和炭化脱胶蚕茧；

(3)以金属丝传统固定炭化蚕茧和炭化脱胶蚕茧，用作微生物燃料电池阳极。

本发明的优点在于电池阳极具有较好的生物相容性和动力学表现，能够显著的提高微生物燃料电池的产电性能，同时由于其制备方法简单，降低了微生物燃料电池的成本，易于实现产业化。

附图说明

图1为本发明实施例1-4的微生物燃料电池构型。

图2为本发明实施例1-3的输出功率与电流强度曲线图。

图3为本发明实施例4的输出功率与电流强度曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1：

(1)阳极制备：将蚕茧直接放入带有瓷舟的石英炉管中，在氮气气氛下以2℃/min匀速升温至900℃，恒温2小时，待管式炉温度自行冷却到室温后取出，得到碳化后蚕茧。用分析天平称量碳化蚕茧质量为0.08g，并用钛丝穿过炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极。

(2)电池组装：本实施例中采用单室微生物燃料电池构型，如图1所示，1为阳极，2为阴极，3，4，5为有机玻璃部件，通过6中的螺栓连接固定形成单室微生物燃料电池构型，7为电化学工作站或用电装置。本实施例中，阳极腔室容积28mL，炭化蚕茧置于阳极腔室，阴极采用负载铂催化剂的碳布材料，以1g/L的醋酸钠溶液(50mM磷酸缓冲液)为阳极底物溶液。阴极制备方法如下：1)将30％疏水的碳布在无水乙醇溶液中超声30min后用去离子水洗净；2)用烘箱烘干以后，在碳布一侧喷涂20％聚四氟乙烯乳液用作气体扩散层(5mg/cm^-2)，并在马弗炉内350-370℃固化30min；3)取出后在碳布另一侧喷涂上Pt/C催化剂(0.8mg/cm^-2)，以相同方式在马弗炉内固化。电池组装完成后以市政污水中活性污泥作为接种源，加入阳极底物溶液，在外电路中接上1000Ω的电阻，电压稳步上升至稳定，电池启动成功。

(3)电池产电性能测量：微生物燃料电池启动成功后，以阴极为工作电极，阳极为参比电极和对电极，利用电化学工作站通过线性扫描法(扫速0.1mVs^-1)测定电池的线性扫描伏安图并计算得到功率-电流曲线(见图1)，扫描范围为开路电压至0.05V。如图1所示电池的最大输出功率达到457μW，与作为对比的未经修饰的亲水碳布(0.18g)作阳极的微生物燃料电池(387μW)相比，其的最大的输出功率提升18％(见图2)。

实施例2

本实施方式与实施例1不同的是阳极电极的质量为0.18g。其他条件均与具体实施例1相同，此时电池最大的输出功率达到558μW(见图2)。

实施例3

本实施方式与实施例1不同的是阳极电极的质量为0.30g。其他条件均与具体实施例1相同，此时电池最大的输出功率达到614μW(见图2)。

实施例4

该实施例中阳极采用炭化脱胶蚕茧，微生物燃料电池其他部件和组装方法与实施例1中相同。炭化脱胶蚕茧制作方法为：将蚕茧称重2-4g投入至溶液浓度为0.5g/L的无水碳酸钠溶液中沸煮处理，并用玻璃棒不断搅拌，30min后，将脱胶蚕茧取出并用去离子水反复清洗直至清洗液pH值显示为中性；(2)将脱胶蚕茧放置于烘箱内50℃干燥处理4-5h；(3)将干燥后的脱胶蚕茧放入带有瓷舟的石英炉管中，在氩气气氛下以4℃/min，匀速升温至350℃，恒温9小时，待管式炉温度自行冷却到室温后取出，得到柔韧度较好的碳化脱胶蚕茧。用分析天平称量碳化脱胶蚕茧质量为0.78g，并用钛丝缠绕炭化脱胶蚕茧用作微生物燃料电池阳极。本实施例中电池的最大输出功率达到579μW(见图3)。

上述实施例为本发明较佳的实施方案，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 (6)

1.一种炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极材料的用途，其特征在于，所述的炭化蚕茧是在无氧条件下煅烧后获得的；煅烧温度为350-900℃，煅烧时间为2-9小时。

2.根据权利要求1所述的一种炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极材料的用途，其特征在于，所述蚕茧煅烧的无氧条件由氮气或惰性气体气氛形成，包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。

3.根据权利要求1所述的一种炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极材料的用途，其特征在于炭化蚕茧用金属丝穿透或缠绕固定形成微生物燃料电池阳极，金属为不锈钢、铂、钛、金、银、铜、铁。

4.根据权利要求1所述的一种炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极材料的用途，其特征在于煅烧温度上升过程中升温速率为2-4℃/分。

5.根据权利要求1所述的一种炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极材料的用途，其特征在于，所述蚕茧煅烧步骤前增加一步脱胶步骤，在炭化后形成炭化脱胶蚕茧，具体方法如下：将完整蚕茧置于沸腾的碳酸盐溶液中进行脱胶处理15-30min，碳酸盐溶液浓度为0.5-2g/L，待脱胶处理完全后，用去离子水反复清洗脱胶蚕茧多次，直至溶液pH值显示为中性。

6.根据权利要求5所述的一种炭化蚕茧用作微生物燃料电池阳极材料的用途，所述碳酸盐为Na₂CO₃，NaHCO₃，K₂CO₃，KHCO₃，(NH₄)₂CO₃，NH₄HCO₃。