CN107887615A - 微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法 - Google Patents

微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法 Download PDF

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Abstract

微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，它涉及一种碳基电极材料的预处理方法。本发明是为了解决现有微生物电化学系统的电极材料预处理方法价格昂贵的技术问题。本方法如下：一、碳基材料清洁；二、高温氮掺杂处理；三、电化学氧化氮掺杂处理；四、碳基电极材料的表面部分疏水处理；五、碳基电极材料的热相变处理。本发明碳基材料组合式预处理方法以低成本，易操作为基础，避免了使用昂贵的预处理耗材和设备。本发明碳基材料组合式预处理方法可适用于微生物电化学系统的生物阳极和生物阴极。本发明属于微生物电化学系统碳基电极材料的预处理领域。

Description

微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法
技术领域
本发明涉及一种碳基电极材料的预处理方法。
背景技术
微生物电化学系统(Microbial Electrochemical system,MES)，是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，因其具有产生清洁能源电能、高效降解有机污染物等诸多优点，在能源、环境及废水处理领域受到了广泛的关注。同时在水处理领域，该技术改变了水处理的模式，受到研究者的广泛重视。在微生物电化学系统中，阳极中的微生物代谢废水中的有机或无机物质，将电子转移至阳极电极上，电子通过外电路传导至阴极，在阴极电子与氧气结合，质子从阳极迁移至阴极，发生氧还原反应，从而形成闭合回路，完成整个反应过程。
微生物电化学系统的阳极作为化学能和电能转化的主要场所，是MES的核心结构之一。碳基材料需要具备导电良好、成本低廉、耐腐蚀、电极反应惰性等因素常被用以制备微生物燃料电池的电极。但未经预处理的碳基材料其生物相容性往往受限于其表面的性质尚具有很大的提高空间。常用传统碳基阳极材料包括碳纸、碳布、碳毡、石墨粒、石墨纸和网状玻璃碳等。目前已有多种对MES阳极材料的处理方法，例如聚吡咯/碳纳米管或者单纯碳纳米管的修饰；金属及其氧化物(TiO2，金，碳化钨等)对碳材料的修饰。相比较金属或碳纳米管修饰，非金属的阳极处理则成本低廉且具有更高的应用前景。MES研究者最初使用高温氨气处理碳电极，并推测由于增加电极表面的荷电量，从而提高微生物细胞接近并附着于电极表面的速度与数量，进而促进了细胞与电极之间的电子转移，提高了MES的产电性能。氨气处理石墨刷阳极。后有研究中采用胺处理碳布作阳极，增加了电极表面电荷密度，使以碳布作阳极的MFC产电量提高。以上的研究结果表明，采用电极修饰的方法可以有效的提升系统的输出性能。
微生物电化学系统的阴极是系统电流产生性能的限速步骤。对于以微生物为电极催化剂的生物阴极而言，通过与阳极相似的碳基材料的预处理步骤提高其生物相容性能够获得更多的电极生物量，继而提高阴极性能。但经过生物相容性强化的碳基材料往往具有很高亲水属性。在生物阴极工作环境中，经过曝气获得溶解氧是其电子受体的主要来源，而强亲水性使水溶液中氧气被生物阴极获取的效率降低。氧气的低利用效率导致氧气为电子受体的生物阴极运行中曝气需求增大、能量需求提高，并减少甚至消耗了生物阴极微生物电化学系统运行中获得的净能量。因此仍然需要开发合理的修饰使微生物电化学系统的碳基材料也能适用于生物阴极的运行。
微生物电化学系统经过十余年的发展，目前已经进入实用化推广阶段。碳基材料作为低成本电极材料具有更高的应用前景。但大型化的微生物电化学系统需要大量的电极材料，因此过于昂贵和复杂的预处理方法无法满足微生物电化学系统应用化的需求，低成本易操作能够大批量处理碳基材料的预处理方法亟待研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有微生物电化学系统的电极材料预处理方法价格昂贵的技术问题，提供了一种微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法。
微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
三、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤三中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10；
四、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在经过步骤三处理的碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
五、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤四处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
步骤一中所述碳基电极材料为碳纤维、碳粉、碳颗粒或网状玻璃碳。
步骤一中所述有机溶剂为乙醚、乙醇、丙醇、丙酮、丁醇、环己醇、乙酸丁酯、苯、甲苯或石油醚。
步骤三中所述的惰性电极为不锈钢电极、石墨电极、铂电极、金电极或钛电极。
步骤三中采用盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钾或氢氧化钠调节pH值。
步骤四中所述超疏水涂料是聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、氟化聚乙烯或氟碳蜡。
步骤四中所述分散剂为甲醇、乙腈、去离子水、丙酮、丙醇、甲酰胺及乙醇中的一种或多种的组合。
步骤四中涂覆方法为流延法、浸渍法、涂刷法、电沉积法或喷涂法。
微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、高温氮掺杂处理：
将碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤二中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10；
三、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在经过步骤二处理的碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
四、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤三处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
二、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
将经过步骤一处理的碳基电极材料经过高温氮掺杂处理和/或电化学氧化氮掺杂处理，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理；
所述高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
所述电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤三中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10。
市售部分碳基材料表面覆有胶质或其他杂质，未经除胶过程的碳基材料比表面积较小，而活性表面积较低。本发明采用有机溶剂浸没处理去除胶质和表面杂质，随后用水清洗。
碳基材料具有较高的稳定性，而其表面杂质则具有热不稳定性，在烘箱温度100℃～700℃处理0.5h～12h，能够有效清洁碳基材料。
采用高温氮掺杂处理能够使碳纤维丝的表面产生微小裂隙，比表面积进一步增加。高温处理还能够使碳基材料的表面N原子与C原子的比例提高，增加质子化氮元素的比例并减少C-O键的比例以及碳纤维丝表面氧原子的比例。
电化学氧化氮掺杂处理能够在碳基材料的表面蚀刻并引入含氮基团。
碳基材料的表面部分疏水处理将经过质子氮掺杂的碳基材料进行部分表面的疏水处理从而增加其和空气的亲和力。经过部分疏水处理后，碳基电极对空气的亲和力显著提高，进而降低了生物电化学系统中阴极还原反应的阻力，提高整体的能量输出效率。
本发明所涉及的碳基材料组合式预处理方法对于现有技术的优势在于以下几点：
1.本发明碳基材料组合式预处理方法可以对多种碳基材料进行处理，适用范围广。
2.本发明碳基材料组合式预处理方法可适用于微生物电化学系统的生物阳极和生物阴极。
3.本发明碳基材料组合式预处理方法以低成本，易操作为基础，避免了使用昂贵的预处理耗材和设备。
4.本发明碳基材料组合式预处理方法能够对较大批量的碳基材料进行处理，有利于推进微生物电化学系统的实用化。
附图说明
图1是实验一中预处理前后碳基材料性能变化曲线；
图2是实验二中未经处理的柱状活性炭颗粒的形貌图；
图3是实验二中经过处理的柱状活性炭颗粒的形貌图；
图4是实验二中疏水处理前后柱状活性炭颗粒降低阴极的内阻曲线图；
图5是实验二中疏水处理前后柱状活性炭颗粒提升系统功率曲线图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
三、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤三中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10；
四、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在经过步骤三处理的碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
五、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤四处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述碳基电极材料为碳纤维、碳粉、碳颗粒或网状玻璃碳。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是步骤一中所述有机溶剂为乙醚、乙醇、丙醇、丙酮、丁醇、环己醇、乙酸丁酯、苯、甲苯或石油醚。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中所述的惰性电极为不锈钢电极、石墨电极、铂电极、金电极或钛电极。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中采用盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钾或氢氧化钠调节pH值。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四中所述超疏水涂料是聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、氟化聚乙烯或氟碳蜡。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤四中所述分散剂为甲醇、乙腈、去离子水、丙酮、丙醇、甲酰胺及乙醇中的一种或多种的组合。步骤四中涂覆方法为流延法、浸渍法、涂刷法、电沉积法或喷涂法。其它与具体实施方式一至六之一相同。
本实施方式中所述的分散剂为组合物时，各成分间为任意比。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、高温氮掺杂处理：
将碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤二中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10；
三、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在经过步骤二处理的碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
四、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤三处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
二、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
三、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理；
步骤三中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
本实验中使用碳纤维刷作为微生物电化学系统的生物阳极，并使用本发明所涉及的碳基材料组合式预处理方法中的部分步骤实现了电化学系统电能输出性能的提高。
1.碳基材料
本实验所使用的碳纤维刷为长3cm，以3K东丽碳纤维丝缠绕在双股钛丝 间制备。
将碳纤维刷预处理后安装进容积为28mL的微生物电化学反应器，并使用人工污水产电。微生物电化学系统用以处理人工污水。
人工污水的配置500mM磷酸盐缓冲溶液(Na2HPO4,45.8g L-1；NaH2PHO4·H2O,24.5gL-1；NH4Cl,3.1g L-1；KCl,1.3g L-1；pH≈7)稀释十倍，随后按照稀释后的总体积添加乙酸钠至乙酸钠浓度为1g/L作为阳极微生物的有机底物。
微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳纤维刷，用乙醇浸泡24小时去除表面杂质，取出沥干用自来水冲洗30min，室外晾晒1d备用。经过表面杂质去除后，碳纤维刷的比表面积从650m2/m3提高到1100m2/m3；
二、高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳纤维刷在空气中于300℃的条件下处理8h，即完成碳纤维刷的预处理。
碳纤维刷电极经过高温氮掺杂步骤能够明显的提高其生物相容性，增加能量密度输出。使用经过组合式处理的碳基电极的生物电化学系统，其开路阳极电位相对于Ag/AgCl电极能够稳定在-475～-550mV之间，开路阴极电位能够达到-200～-300mV。
表1高温质子氮掺杂后碳纤维表面元素变化
经过预处理碳纤维刷电极在外阻1000欧姆条件下运行启动。经过预处理的碳纤维刷电极的启动速率加快，并且经过一个月的启动期结束后，获得最大功率密度为950mW/m2，而未经任何处理的碳纤维刷电极则仅产生了380mW/m2。
实验二：
本实验中使用柱状活性炭颗粒(每个柱状活性炭颗粒的直径为3-5mm，长度为8-10mm，比表面积800m2/g，其填充密度为0.92g/mL。)作为微生物电化学系统的生物阴极，并使用本发明所涉及的碳基材料组合式预处理方法中的部分步骤实现了电化学系统电能输出性能的提高。
微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、表面部分疏水处理步骤
使用质量浓度为10-60％的聚四氟乙烯甲醇乳液对柱状活性炭进行疏水处理，以获得疏水型柱状活性炭(PTFE-coated CAC)生物阴极材料。首先将活性炭颗粒平铺于木板上，用空气喷刷将聚四氟乙烯甲醇乳液均匀喷涂于柱状活性炭颗粒表面的一侧。疏水处理的面积占柱状活性炭颗粒表面的50％。
二、热相变处理
经过疏水处理的柱状活性炭颗粒首先在空气中静置24h，后在马弗炉中加热至300-500℃并持续10-60min。随后取出冷却至室温备用。
预处理效果：
经过疏水处理和热处理后柱状活性炭颗粒表面覆盖有均匀的PTFE(四氟乙烯)超疏水层(图3)能够增加曝气过程中对空气泡的截留，从而提供给阴极功能菌群的氧还原过程。开路状态生物阴极电位能够达到200～300mV。运行状态下最大功率密度可达8.5W/m3(图5)，阴极内阻降低至3Ω以下(图4)，活性氧气截留量达到30L/m3，仅靠截留空气而不需要大量曝气即可满足阴极需要。整个体系使用生活污水(COD：500mg/L)为底物，去除率可达90％以上。

Claims (10)

1.微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
三、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤三中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10；
四、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在经过步骤三处理的碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
五、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤四处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
2.根据权利要求1所述微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于步骤一中所述碳基电极材料为碳纤维、碳粉、碳颗粒或网状玻璃碳。
3.根据权利要求1所述微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于步骤一中所述有机溶剂为乙醚、乙醇、丙醇、丙酮、丁醇、环己醇、乙酸丁酯、苯、甲苯或石油醚。
4.根据权利要求1所述微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于步骤三中所述的惰性电极为不锈钢电极、石墨电极、铂电极、金电极或钛电极。
5.根据权利要求1所述微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于步骤三中采用盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钾或氢氧化钠调节pH值。
6.根据权利要求1所述微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于步骤四中所述超疏水涂料是聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、氟化聚乙烯或氟碳蜡。
7.根据权利要求1所述微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于步骤四中所述分散剂为甲醇、乙腈、去离子水、丙酮、丙醇、甲酰胺及乙醇中的一种或多种的组合；
步骤四中涂覆方法为流延法、浸渍法、涂刷法、电沉积法或喷涂法。
8.根据权利要求1所述微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、高温氮掺杂处理：
将碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
二、电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤二中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10；
三、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在经过步骤二处理的碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
四、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤三处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
9.微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基电极材料的表面部分疏水处理：
将超疏水涂料分散到分散剂中制成质量浓度为10％～80％的乳浊液，再将乳浊液涂覆在碳基电极材料表面，涂覆面积为碳基电极材料表面积的20％～80％，经过8～24小时的通风静置，挥发其表面分散剂；
二、碳基电极材料的热相变处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料在100℃～550℃处理5min～120min，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理。
10.微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法，其特征在于微生物电化学系统碳基电极材料的预处理方法按照以下步骤进行：
一、碳基材料清洁：
将碳基电极材料浸泡于有机溶剂中0.5h～24h，然后用水清洗，再在100℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
将经过步骤一处理的碳基电极材料经过高温氮掺杂处理和/或电化学氧化氮掺杂处理，即完成微生物电化学系统碳基电极材料的预处理；
所述高温氮掺杂处理：
将经过步骤一处理的碳基电极材料在空气中于200℃～700℃的条件下处理0.5h～12h；
所述电化学氧化氮掺杂处理：
将经过步骤二处理的碳基电极材料作为工作电极，对电极为惰性电极，电极间距为0.5cm～5cm，通过外加电源在电极间施加2V～50V电压，控制电极间电流密度为0.5～30mA/cm2，处理1min～60min；
步骤三中采用的电解液为尿素、碳酸氢铵、碳酸铵、硝酸铵、硫酸铵及过硫酸铵中的一种或多种的组合，电解液质量浓度为5％～30％，且pH值为2～10。
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