CN110752379A - 一次成型生物炭阴极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一次成型生物炭阴极的制备方法，属于微生物燃料电池领域。步骤为：首先，对芦苇原材料进行预处理；其次，对生物质材料进行氧化成型，碳化温度为700～800℃；最后，洗涤干燥保存获得芦苇生物炭成型电极材料，并进行电化学性能测试，将制备的材料替代商业碳毡材料运行底泥微生物燃料电池对比前后反应器性能。本发明是对废弃芦苇的资源化利用，原材料来源广泛，制作方法简单，易于产业化应用。得到的生物炭电极材料成型完整，电阻较小，具有良好的生物相容性，同时具有一定的氧化还原能力，具有代替商业电极材料的潜力；可同时实现芦苇的二次利用和电极材料的制备，是一种经济环保的方法。

Description

一次成型生物炭阴极的制备方法
技术领域
本发明属于微生物燃料电池领域，涉及一种生物炭直接成型的底泥微生物燃料电池阴极的制备方法。
背景技术
在全球范围内，由于不断增加的能源需求，化石燃料等传统能源正在逐渐耗尽，全世界的研究人员都在努力寻找可再生能源。我们必须在珍惜和充分利用现有的能源资源的基础上积极开发新能源。燃料电池作为可再生能源吸引了许多研究人员的注意力，也迅速催生了微生物燃料电池的发展。该技术可以同步进行产电和污染物的处理。底泥微生物燃料电池是其中一种在底泥修复和电力生产中的特殊应用。
电极材料对电池性能的好坏有着直接的影响。因此对于新型电极材料的研究不容忽视。生物炭本身的主体成分是碳素，与石墨、活性炭等类似，但目前关于生物炭的研究现状一般是利用其协助保留土壤营养，以改善其生物学性能，从而增强植物的生长；或是将生物炭作为一种吸附剂，吸附去除水体中或土壤中的污染物，从而达到修复环境问题的作用。将生物炭用在微生物燃料电池阴极中时，一般是先构建基体层，再将生物炭粉末涂布于电极基体层，整个阴极制作过程涉及多个步骤。如果能以简便的方法一次成型制作生物炭电极应用于微生物燃料电池中，可以实现生物质的二次利用和新型材料的研发制备，在缓解环境问题的同时还能产生巨大的经济效益。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种生物炭直接成型的微生物燃料电池电极的制备方法。采用芦苇杆粉末热解并一次成型得到生物炭电极材料，可以实现废弃芦苇的资源化利用，同时该材料具有优异的电化学性能，将其应用于微生物燃料电池系统中，可提升微生物燃料电池的产电能力和输出功率，是一种经济环保、具有能源意义的新方法。
本发明采用的技术方案为：
一次成型生物炭阴极的制备方法，以芦苇杆为原材料，芦苇杆粉末在模具中经管式炉高温热解直接成型，所得生物炭材料直接作为电极材料。以微生物燃料电池技术为基础，选用底泥微生物燃料电池作为反应器基体，以制备的生物炭材料直接作为阴极。与原材料为芦苇叶和粉绿狐尾藻相比，芦苇杆粉末经高温热解后可直接成型。该制备方法包括以下步骤：
1)芦苇去叶清洗后，将芦苇杆放入烘箱中烘干，然后对其进行破碎处理并过200目以上筛网得到75微米以下的芦苇粉末，其中，芦苇粉末尺寸越小，成型的生物炭材料表面越光滑，抗扭性能越良好。
2)将芦苇粉末放于模具中压实，置于管式炉炉膛中央，封闭管式炉后通入氮气以排尽管内氧气，然后从室温均匀升温至目标温度700～800℃，在目标温度下恒温热解2h，随后自然冷却至室温得到黑色长方体状的成型产物；
3)将模具中成型产物取出，对表面进行清洗、干燥后，直接作为电极材料。
进一步，步骤1)中，所述的烘箱温度为75℃，时间为12h以上。
进一步，步骤2)中所述的目标温度优选为800℃。
进一步，步骤2)中升温过程具体为：从室温(一般为20℃)升至100℃，在100℃保持20min进行预热，使原料受热均匀；再升至目标温度，并在目标温度下恒温热解2h，最后自然冷却至室温。其中，升温速率为10℃/min。
进一步，所述的模具尺寸可以改变，并且模具尺寸决定了电极尺寸大小。
本发明提供了一种微生物燃料电池系统，所述的微生物燃料电池为底泥微生物燃料电池，所述的阴极工作材料为上述方案所述的电极材料。所述的底泥微生物燃料电池，以无盖圆柱状的石英玻璃容器为反应器，预设体积为1L，底面直径为10cm，高为13cm，在距底面5cm处的高度上设置一个排水口。反应器以石墨板为阳极材料，以生物炭为阴极材料。反应器下部填充海泥(约6cm高)，上部补充海水(约6cm高)。将石墨板阳极埋入底泥中，将生物炭阴极悬挂在反应器顶部。阴阳极电极材料放置好后，利用钛丝作为阴阳极的导线连接，同时连接1000Ω外部电阻作为负载构成闭合回路。
与现有技术相比，本发明的有有益效果为：本发明提供了一种新型电极材料的制备方法，该方法制备生物炭材料过程简单并且能够一次成型，成型生物炭材料可以直接应用于上述的底泥微生物燃料电池中，与碳毡阴极相比，可以获得更高的产电和输出功率。该方法制备生物炭以芦苇杆为原材料，不仅可以实现芦苇废弃物的资源化利用的同时还能产生巨大的经济效益，。
附图说明
图1是800℃制备的生物炭成型材料实物图。
图2是纯生物炭成型材料(生物炭800和生物炭700)的SEM图像。(a)为800℃制备的生物炭材料放大500倍的SEM图，(b)为800℃制备的生物炭材料放大2000倍的SEM图，(c)为800℃制备的生物炭材料放大5000倍的SEM图，(d)为700℃制备的生物炭材料放大500倍的SEM图，(e)为700℃制备的生物炭材料放大2000倍的SEM图，(f)为700℃制备的生物炭材料放大5000倍的SEM图；
图3是纯生物炭成型材料的线性扫描伏安(LSV)、循环伏安(CV)和交流阻抗谱(EIS)曲线图。(a)为800℃和700℃制备的生物炭材料的线性扫描伏安图，(b)为800℃制备的生物炭材料的循环伏安图，(c)为700℃制备的生物炭材料的循环伏安图，(d))为800℃制备的生物炭材料的交流阻抗谱图，(e)为700℃制备的生物炭材料的交流阻抗谱图；
图4是纯生物炭成型材料(生物炭800和生物炭700)作阴极材料运行SMFC产电性能变化。
图5是纯生物炭成型材料(生物炭800和生物炭700)作阴极运行SMFC功率密度曲线变化。
具体实施示例
具体实施例可使本发明实现技术方案，发明创造特征，实现的目的和达到的功效清晰明了，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：
在本发明中，生物炭原料来自于大连理工大学盘锦校区校园人工湖边芦苇，制作步骤如下：
1)将所收集到的芦苇去叶，进行清洗后，放入75℃烘箱中保持12h进行烘干，然后对其进行破碎处理并经过200目以上筛网得到芦苇粉末。
2)将芦苇粉末放于模具中压实，再将其整体置于管式炉炉膛中央，封闭管式炉后通入氮气20min以排尽管内所有氧气，然后以10℃/min的速率从室温(一般设定为20℃)升至100℃，在100℃保持20min进行预热，同时使原料受热均匀，再以10℃/min的速率分别升至目标温度700℃，并在目标温度下恒温热解2h，随后自然冷却至室温得到成型生物炭材料。
3)将模具中成型产物取出，对表面进行清洗、干燥后，作为电极材料。
对本实施例中得到的生物炭材料进行超高分辨场发射扫描电镜(FE-SEM NovaNanoSEM 450型)测试，结果如图2所示，可以看出本发明制备的生物炭电极材料的表面形貌。
对本实施例中得到的生物炭材料进行电化学性能测试，结果如图3所示，可以看出本发明制备的生物炭材料的LSV、CV和EIS图，由图可以看出生物炭电极材料的电化学性能。
沉积物微生物燃料电池(SMFC)的构建和运行：
实验采用无盖圆柱状的石英玻璃容器为反应器，预设体积为1L，底面直径为10cm，高为13cm，在距底面5cm处的高度上设置一个排水口。反应器以L＝L’＝60mm，H＝5mm的石墨板为阳极材料，以L＝L’＝60mm，H＝5mm的生物炭为阴极材料。反应器下部填充海泥(约6cm高)，上部补充海水(约6cm高)。将石墨板阳极埋入底泥中，将生物炭阴极悬挂在反应器顶部。阴阳极电极材料放置好后，利用钛丝作为阴阳极的导线连接，同时连接1000Ω外部电阻作为负载构成闭合回路。反应器正常运行后，将原阴极材料更换为本发明中所述的制备得到的生物炭材料，测试新材料对沉积物微生物燃料电池的性能影响。
对本实施例中的SMFC进行电压分析，结果见图4，图4是纯生物炭材料作阴极材料运行SMFC的产电性能变化，由图4可以看出搭载生物炭阴极材料的SMFC的电压由原来的68mV增大至195mV。图5是纯生物炭材料作阴极材料运行SMFC的最大输出功率密度，由图5可以看出搭载生物炭阴极材料的SMFC相比于搭载商业碳毡材料的最大输出功率密度由1.45±0.1mW m-2提升至7.4±0.02mW m-2，性能提升效果较好。
实施例2
1)将所收集到的芦苇去叶，进行清洗后，放入烘箱中烘干，然后对其进行破碎处理并经过200目筛网得到芦苇粉末。
2)将芦苇粉末放于模具中，压实，再将其整体置于管式炉炉膛中央，封闭管式炉后通入氮气20min以排尽管内所有氧气，然后以10℃/min的速率从室温升至100℃，在100℃保持20min进行预热，同时使原料受热均匀，再以10℃/min的速率分别升至目标温度800℃，并在目标温度下恒温热解2h，随后自然冷却至室温得到成型生物炭材料。
3)将模具中成型产物取出，对表面进行清洗、干燥后，作为电极材料。
对本实施例中得到的生物炭材料进行超高分辨场发射扫描电镜(FE-SEM NovaNanoSEM 450型)测试，结果如图2所示，可以看出本发明制备的生物炭电极材料的表面形貌。
对本实施例中得到的生物炭材料进行电化学性能测试，结果如图3所示，可以看出本发明制备的生物炭材料的LSV、CV和EIS图，由图可以看出生物炭电极材料的电化学性能。
沉积物微生物燃料电池(SMFC)的构建和运行：
实验采用无盖圆柱状的石英玻璃容器为反应器，预设体积为1L，底面直径为10cm，高为13cm，在距底面5cm处的高度上设置一个排水口。反应器以L＝L’＝60mm，H＝5mm的石墨板为阳极材料，以L＝L’＝60mm，H＝5mm的生物炭为阴极材料。反应器下部填充海泥(约6cm高)，上部补充海水(约6cm高)。将石墨板阳极埋入底泥中，将生物炭阴极悬挂在反应器顶部。阴阳极电极材料放置好后，利用钛丝作为阴阳极的导线连接，同时连接1000Ω外部电阻作为负载构成闭合回路。反应器正常运行后，将原阴极材料更换为本发明中所述的制备得到的生物炭材料，测试新材料对沉积物微生物燃料电池的性能影响。
对本实施例中的SMFC进行电压分析，结果见图4，图4是纯生物炭材料作阴极材料运行SMFC的产电性能变化，由图4可以看出搭载生物炭阴极材料的SMFC的电压由原来的78mV增大至162mV。图5是纯生物炭材料作阴极材料运行SMFC的最大输出功率密度，由图5可以看出搭载生物炭阴极材料的SMFC相比于搭载商业碳毡材料的最大输出功率密度由1.68±0.02mW m-2提升至9.15±0.02mW m-2，性能提升效果较好。
以上为本次发明的优选实施方式，由湿地中的植物资源可以获得需要的生物炭原料，通过利用生物炭制备成电极材料，一方面可以实现废弃物资源化利用，另一方面也开发了一种新的电极类型，在不脱离本发明原理的基础上，对发明内容作出的修饰和改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一次成型生物炭阴极的制备方法，其特征在于，芦苇生物炭阴极通过热解一步成型，具体包括以下步骤：
1)芦苇去叶清洗后，将芦苇杆放入烘箱中烘干，然后对其进行破碎处理并过200目以上筛网得到75微米以下的芦苇粉末，其中，芦苇粉末尺寸越小，成型的生物炭材料表面越光滑，抗扭性能越良好；
2)将芦苇粉末放于模具中压实，置于管式炉炉膛中央，封闭管式炉后通入氮气以排尽管内氧气，然后从室温升温至目标温度700～800℃，在目标温度下恒温热解2h，随后自然冷却至室温得到黑色长方体状的成型产物；
3)将模具中成型产物取出，对表面进行清洗、干燥后得到能够直接作为电极材料的生物炭材料；
以微生物燃料电池为基础，选用底泥微生物燃料电池作为反应器基体，以制备得到的生物炭材料直接作为阴极。
2.根据权利要求1所述的一次成型生物炭阴极的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的目标温度优选为800℃。
3.根据权利要求1或2所述的一次成型生物炭阴极的制备方法，其特征在于，步骤2)中升温过程具体为：从室温升至100℃，在100℃保持20min进行预热，使原料受热均匀；再升至目标温度，并在目标温度下恒温热解。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104241662A (zh) * 2014-08-27 2014-12-24 中国科学院广州能源研究所 一种用于微生物燃料电池阴极催化剂的生物炭的制备方法
CN106000334A (zh) * 2016-05-12 2016-10-12 浙江大学 一种改性芦苇生物质炭及其制备方法和应用
CN108574105A (zh) * 2018-05-21 2018-09-25 西交利物浦大学 一种微生物燃料电池的空气阴极
CN110117046A (zh) * 2019-05-15 2019-08-13 哈尔滨工业大学 一种绿色电芬顿阴极的制备方法和应用
US20190319288A1 (en) * 2017-04-11 2019-10-17 Dalian University Of Technology Preparation of a new type of composite anode and microbial fuel cell based on nitrogen doped biological carbon and porous volcanic rocks

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104241662A (zh) * 2014-08-27 2014-12-24 中国科学院广州能源研究所 一种用于微生物燃料电池阴极催化剂的生物炭的制备方法
CN106000334A (zh) * 2016-05-12 2016-10-12 浙江大学 一种改性芦苇生物质炭及其制备方法和应用
US20190319288A1 (en) * 2017-04-11 2019-10-17 Dalian University Of Technology Preparation of a new type of composite anode and microbial fuel cell based on nitrogen doped biological carbon and porous volcanic rocks
CN108574105A (zh) * 2018-05-21 2018-09-25 西交利物浦大学 一种微生物燃料电池的空气阴极
CN110117046A (zh) * 2019-05-15 2019-08-13 哈尔滨工业大学 一种绿色电芬顿阴极的制备方法和应用

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