CN109728315A - 改性碳化纤维素纸板电极材料及微生物燃料电池 - Google Patents

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程桂石
李文军
阙正斌
和箐楠
张玉宏
宫雪容
艾科热木
赵薇
杨双维
付娟
董长青
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Abstract

本发明实施例公开了一种改性碳化纤维素纸板电极材料的制备方法，以纤维素纸板为原料，经机械粉碎与清洗，掺入改性化合物材料(如磷酸锰粉末)后进行超声处理并碳化，产物经粉碎后过筛，最终获得改性碳化纤维素纸板电极材料。本发明实施例还公开了上述制备方法制得的改性碳化纤维素纸板电极材料，及将所述电极材料填入阴极室或阳极室腔体作为电极材料的微生物燃料电池。所述改性纤维素纸板碳化材料原料易得、成本低廉，制备方法简单，填充密度低，适合推广使用；所述电极材料用于制成微生物燃料电池，其作为电极可为微生物提供优良的附着位置，提高了阳极氧化效率和阴极的还原效率，加速电子的传递速率，进而提高电池的产电性能。

Description

改性碳化纤维素纸板电极材料及微生物燃料电池
技术领域
本发明属于生物燃料电池技术领域，特别涉及一种改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法。本发明还提供了使用该制备方法制得的电极材料，以及使用该电极材料作为电极的微生物燃料电池。
背景技术
由于化石燃料的短缺，以及由化石燃料的燃烧导致日益严峻的环境污染和温室效应，迫使人们寻找可再生的清洁能源以替代化石能源，并减少环境污染问题。正在兴起的微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)，是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，可在处理废水的同时产生电能，为解决环境问题和能源问题提供了一条新途径，具有极大的发展潜力和广阔的发展前景。
当前微生物燃料电池仍具有输出功率密度低，原料成本高等问题，限制了其广泛应用。作为电活性微生物生长和电子转移场所，电极材料对电极性能具有非常重要的影响，尽管目前可选的电极材料较多，如石墨、碳毡、碳纸、石墨刷、网状玻璃碳等，但它们普遍存在性能相对较差、制备方法复杂、成本高等问题，因此它们的规模化应用受到一定的限制。因此，亟待开发一种成本低廉、制备简单且具有高性能的电极材料，以满足微生物燃料电池进一步推广使用需要。
发明内容
针对上述现有电极材料普遍存在的性能相对较差、制备方法复杂、成本高等技术问题，本发明提供了改性碳化纤维素纸板电极材料及制备方法，制得的改性碳化纤维素纸板电极材料原料易得、成本低廉，且制备方法简单，填充密度低，适合推广使用。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法，包括步骤如下：
1.制得纤维素纸板原料，包括：将纤维素纸板机械破碎为纸屑，加水浸泡3～4h后，取出纸屑，抽滤冲洗3～5次，将产物在70～100℃下恒温干燥4～6h，得到所述纤维素纸板原料；
2.制得改性溶液，包括：将改性化合物研磨为粉末，所述改性化合物为Mn3(PO4)2·3H2O、KOH、Mn(NO3)2、K3PO4·3H2O、MnO2中的任意一种，将得到的粉末按固液质量比为0.1～1加入去离子水中，搅拌至完全溶解，得到所述改性溶液；
3.制得改性纤维素纸板，包括：将所述纤维素纸板原料置于所述改性溶液中浸泡10～20min，在20℃下进行0.5h超声清洗，将产物抽滤后再在70～100℃下恒温干燥4～6h，干燥后得到所述改性纤维素纸板；
4.制得改性碳化纤维素纸板，包括：将所述改性纤维素纸板放入马弗炉中进行碳化，使用氮气作为保护气，其中：先以8～10℃/min速率升温至100℃进行预碳化，预碳化时间为30～40min；再以5℃/min速率升温至1000～1400℃进行保温碳化，保温碳化时间为1～1.5h；自然降温至室温，得到所述改性碳化纤维素纸板；
5.制得改性碳化纤维素纸板电极材料，包括：将所述改性碳化纤维素纸板研磨粉碎后，过1万～1800万目标准筛，得到的粉末产物即为所述改性碳化纤维素纸板电极材料。
作为步骤1的优选，机械破碎得到的所述纸屑的面积不超过9mm2，即通常纸屑尺寸小于3×3mm。
作为步骤1的优选，所述浸泡和抽滤冲洗用水均为去离子水。
作为步骤3的优选，所述恒温干燥过程中，每隔20min对恒温干燥对象进行搅动翻转。
为解决上述技术问题，本发明的实施例还提供一种改性碳化纤维素纸板电极材料，由上述改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法制得。
为解决上述技术问题，本发明的实施例还提供一种微生物燃料电池，其阳极和阴极之一或全部采用上述改性碳化纤维素纸板电极材料制作。
本发明实施例的上述技术方案，以纤维素纸板为原料，通过碳化改性制备电极材料，充分利用了改性碳化纤维素纸板材料优良的导电性和巨大的比表面积，将该电极材料制作的电极应用于微生物燃料电池，所述技术方案的有益效果如下：
1.微生物燃料电池采用所述改性碳化纤维素纸板作为电极，可为微生物提供优良的附着位置，适宜微生物生长，可提高阳极氧化效率和阴极的还原效率，加速电子的传递速率，进而提高电极的产电性能；
2.所述电极材料具有良好的生物相容性和较强的耐腐蚀性，以该电极材料制作电极，有利于微生物燃料电池的长期稳定运行；
3.所述电极材料具有制备方法简单、易于微生物吸附生长、电化学性能高、填充密度低等优点，且在制备过程中不会造成环境污染等问题，适合推广使用；
4.作为原料的纤维素纸板在日常生活中应用广泛、廉价易得，以其作为原料进行碳化改性，材料及制备成本较其他同类型材料低，具有较好的经济性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的问题，提供改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法，基本流程如图1所示，其具体步骤为：
步骤S1：将纤维素纸板机械破碎为纸屑，加水浸泡3～4h后，取出纸屑，抽滤冲洗3～5次，将产物在70～100℃下恒温干燥4～6h，制得纤维素纸板原料；
步骤S2：将改性化合物研磨为粉末，改性化合物为Mn3(PO4)2·3H2O、KOH、Mn(NO3)2、K3PO4·3H2O、MnO2中的任意一种，将得到的粉末按固液质量比为0.1～1加入去离子水中，搅拌至完全溶解，制得改性溶液；
步骤S3：将纤维素纸板原料置于改性溶液中浸泡10～20min，在20℃下进行0.5h超声清洗，将产物抽滤后再在70～100℃下恒温干燥4～6h，干燥后制得改性纤维素纸板；
步骤S4：将改性纤维素纸板放入马弗炉中进行碳化，使用氮气作为保护气，其中：先以8～10℃/min速率升温至100℃进行预碳化，预碳化时间为30～40min；再以5℃/min速率升温至1000～1400℃进行保温碳化，保温碳化时间为1～1.5h；自然降温至室温，制得改性碳化纤维素纸板；
步骤S5：将改性碳化纤维素纸板研磨粉碎后，过1万～1800万目标准筛，得到的粉末产物即为改性碳化纤维素纸板电极材料。
作为更佳的实施方式，步骤S1中，机械破碎得到的纸屑的面积不超过9mm2，即通常纸屑尺寸小于3×3mm，使用去离子水浸泡和抽滤冲洗纸屑；步骤S3中，在恒温干燥过程中每隔20min对超声处理后的纤维素纸板原料进行搅动翻转，以保证其干燥均匀。
以Mn3(PO4)2·3H2O改性的碳化纤维素纸板电极材料制备为例：
先取一块纤维素纸板，将其机械破碎为粒径小于3×3mm的纸屑称取5g，置于100ml烧杯中，加入去离子水至完全淹没纸屑，浸泡4h，抽滤冲洗3～5次；将上述纸屑置于高温烘箱中进行恒温干燥，设置干燥温度为80℃，干燥时间为6h，干燥后取出纸屑，待其自然冷却后，准确称取3.000g备用。再取一定量Mn3(PO4)2·3H2O固体，在研钵中研磨为粉末，准确称取3.000g，置于100ml烧杯中，加入去离子水30ml，搅拌至完全溶解。接着将之前称取的3.000g纸屑加入其中，搅拌至纸屑被完全浸润，浸泡15min，置于超声波激振器进行超声清洗，设置超声温度为20℃，超声时间为0.5h。再将上述材料置于高温烘箱中进行恒温干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为6h；干燥后将其置于马弗炉中，通入氮气置换出炉内空气；先升温至100℃进行预碳化，升温速率为8℃/min，预碳化时间为40min；升温至1000℃进行保温碳化，升温速率为5℃/min，保温碳化时间为1.5h，碳化结束后自然降温至室温。最后，将上述步骤制得的固体产物在研钵中研磨为细粉状，再投入超细磨粉机中进行粉碎，过1万至1800万目标准筛后，即可制得纳米粉末状态的碳化纤维素纸板电极材料。
采用其他化合物，如KOH、Mn(NO3)2、K3PO4·3H2O、MnO2等改性纤维素纸板的工艺流程可参照Mn3(PO4)2·3H2O。
通过上述制备方法制得的改性碳化纤维素纸板电极材料，可用于制成微生物燃料电池的电极。
微生物燃料电池阳极和阴极均可使用上述改性碳化纤维素纸板电极材料作为电极，将所述改性碳化纤维素纸板电极材料填入阴极室和/或阳极室腔体作为电极材料，相应的在微生物燃料电池所接种的微生物可选择污水处理厂的活性污泥，活性污泥在阴极室和阳极室中分别进行驯化可形成的产电菌等功能微生物群。为提升电池的工作效率，通常还可以在阴极室和阳极室均添加NaHCO3、葡萄糖等碳源，更佳的，还可在阴极室和阳极室中进一步添加磷酸盐缓冲液、痕量元素、维生素等。该微生物燃料电池充分利用了改性碳化纤维素纸板电极材料具有的优良的导电性能和巨大的比表面积，为微生物提供优良的附着位置，提高了阳极氧化效率和阴极的还原效率，加速电子的传递速率，进而提高产电性能。
对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明，选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。显然，以上优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：制得纤维素纸板原料，包括：将纤维素纸板机械破碎为纸屑，加水浸泡3～4h后，取出纸屑，抽滤冲洗3～5次，将产物在70～100℃下恒温干燥4～6h，得到所述纤维素纸板原料；
步骤2：制得改性溶液，包括：将改性化合物研磨为粉末，所述改性化合物为Mn3(PO4)2·3H2O、KOH、Mn(NO3)2、K3PO4·3H2O、MnO2中的任意一种，将得到的粉末按固液质量比为0.1～1加入去离子水中，搅拌至完全溶解，得到所述改性溶液；
步骤3：制得改性纤维素纸板，包括：将所述纤维素纸板原料置于所述改性溶液中浸泡10～20min，在20℃下进行0.5h超声清洗，将产物抽滤后再在70～100℃下恒温干燥4～6h，干燥后得到所述改性纤维素纸板；
步骤4：制得改性碳化纤维素纸板，包括：将所述改性纤维素纸板放入马弗炉中进行碳化，使用氮气作为保护气，其中：先以8～10℃/min速率升温至100℃进行预碳化，预碳化时间为30～40min；再以5℃/min速率升温至1000～1400℃进行保温碳化，保温碳化时间为1～1.5h；自然降温至室温，得到所述改性碳化纤维素纸板；
步骤5：制得改性碳化纤维素纸板电极材料，包括：将所述改性碳化纤维素纸板研磨粉碎后，过1万～1800万目标准筛，得到的粉末产物即为所述改性碳化纤维素纸板电极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，机械破碎得到的所述纸屑的面积不超过9mm2。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的所述浸泡和抽滤冲洗用水均为去离子水。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的所述恒温干燥过程中，每隔20min对恒温干燥对象进行搅动翻转。
5.一种改性碳化纤维素纸板电极材料，其特征在于，由权利要求1至4任一项所述的改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法制得。
6.一种微生物燃料电池，其特征在于，其阳极和/或阴极采用上述改性碳化纤维素纸板电极材料制成。
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