CN209066011U - 一种微生物燃料电池驱动的光电化学池制氢装置 - Google Patents

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杨政伟
顾莹莹
张梦雪
徐文斐
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Abstract

本实用新型提供了一种微生物燃料电池驱动的光电化学池制氢装置。所述装置为光电化学池组成的三室结构。所述装置包括电池外壳本体，所述电池外壳本体的一侧设有光源，其特征是：所述有机玻璃室通过胶垫由螺丝固定；所述阳极室和缓冲室通过阳离子膜隔开；所述阴极室和缓冲室通过阴离子膜隔开；所述阳极室充满剩余活性污泥；所述缓冲室充满磷酸盐缓冲溶液；所述阴极室充满硫酸钾溶液；所述阳极与所述阴极接有电阻并通过钛导线相连；所述阳极为碳纤维刷；所述阴极包括P型(100)掺硼单晶硅片导电基板和CQDs纳米颗粒层。所述装置中的阳极聚集的产电微生物利用污泥中的有机质进行催化代谢产生电子通过外电路传输到阴极实现产氢。

Description

一种微生物燃料电池驱动的光电化学池制氢装置
技术领域
本实用新型涉及微生物电解池领域，更具体地说，涉及微生物燃料电池驱动的太阳能协同新型微生物电解池领域，无需外界能量输入，具有应用性。
背景技术
微生物电解池技术(microbial electrolysis cell,MECs)是一种利用微生物的代谢活动，使电子从细胞内转移到细胞外的阳极，然后通过外电路的电势差作用下到达阴极，在阴极电子和质子结合产生氢气。微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFCs)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其原理是集聚在燃料电池阳极的产电微生物依靠自身的催化代谢作用催化降解环境中的有机物和一些还原性无机物并释放电子和质子，电子通过外部导线流向阴极，质子则从内部流动至阴极，与阴极电子受体和电子反应，产生电流。该技术本身不需要外界能量，绿色无二次污染。MFCs为MECs提供所需能量从而不需要外界能量的输入。
随着我国城市化进程的加快，废水处理的达标率要求日益严格，污泥产量也急剧增加，我国有80％的污泥没有得到稳定的处理处置。污泥成分复杂，不仅含有大量氮、磷、有机质和多种微量元素等可利用成分，也含有有毒、有害、难降解的有机物、重金属、病原菌及寄生虫等物质，其中污染物的种类也越来越复杂、含量也越来越大，如果处置不当，将对生态环境和人类自身造成极大危害。
另外，日益严重的环境问题和能源危机已经引起越来越多的关注。寻找一种高效、廉洁、低成本的代替传统能源的方法是迫切需要的。氢气是一种热值较高的新型清洁能源。目前的氢气主要来源于化石能源(煤、天然气、石油等)，但其在转化过程中伴随着很大的能量损失而且对环境造成很大的危害。
本使用新型的目的就是利用本装置进行污泥降解处理同时实现产氢。
实用新型内容
1、拟解决的技术问题
针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种新型微生物电解池，它既可以实现通过微生物产电又可以光照阴极产氢。
2、技术方案
为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。
所述有机玻璃室通过胶垫由螺丝固定；所述装置阴极室的一侧设有光源，阳离子膜和胶垫共同夹在阳极室和缓冲室之间，阴离子膜和胶垫共同夹在缓冲室和阴极室之间；所述阳极室设有碳纤维刷；所述阴极室设有阴极，所述光阴极P(100)掺硼单晶硅片导电基板和碳量子点(CQDs)纳米颗粒，所述碳纤维刷和阴极通过导线连接，所述导线上连接有外接电阻，阳极微生物能够分解有机物产生质子和电子，质子通过质子膜到达阴极，电子通过外电路到达阴极，在光阴极作用下质子跟电子结合产生氢气。
所采用的阴极材料p型(100)掺硼单晶硅纳米片导电基板(15)通过化学刻蚀法制备而成，其基板上形成了长约7.7μm、直径约150nm的有序纳米线阵列，p-Si的禁带宽度为1.12eV，导带能级为-0.5eV(vs RHE)，具有较高的还原能力，能够利用波长小于1100nm的太阳光。所述CQDs通过石墨阳极氧化法制备而成，颗粒粒径为2～10nm，
3.有益效果
相比于现在技术，本实用新型的优点在于：
(1)本方案阳极微生物能够催化代谢有机物，吸收化学能来满足自身生命活动的需求，并能产生电压，向光阴极传送电子，无需外界能量输入，在光阴极与质子结合产生氢气。
(2)光阴极P型(100)掺硼单晶硅片，采用浸渍法将CQDs负载在硅纳米线上，有效提高P型SiNWs的光电性能。
(3)P型(100)掺硼单晶硅纳米线长约7.7μm、直径约150nm，P-Si的禁带宽度为1.12eV，导带能级为-0.5eV(vs RHE)，具有较高的还原能力， CQDs纳米颗粒层的大小为2～10nm，具有较强的荧光性和电催化活性。 SiNWs/CQDs复合电极的禁带宽度大于光解水的理论电压1.23V。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的光阴极的结构示意图。
1电阻、2钛导线、3碳纤维刷、4阳极室、5阳离子膜、6螺丝、7胶垫、8 缓冲室、9阴离子膜、10阴极室、11光阴极、12塑料软管、13气体收集袋、14 光源、15 P型(100)掺硼单晶硅纳米片、16CQDs纳米颗粒层。
具体实施方式
以下将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述；显然；所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本实用新型保护的范围。实施例1：
请参阅图1-2，一种微生物燃料电池驱动的光电化学池制氢装置，装置阴极室一侧设有光源14。装置内设有阳极室10、缓冲室8和阴极室10，阳极室4 和缓冲室8通过阳离子膜5隔开，缓冲室8和阴极室10通过阴离子膜9隔开。阳极室4内设有生物阳极即碳纤维刷3，并充满剩余活性污泥，缓冲室8充满磷酸盐缓冲溶液，阴极室10内设有光阴极11并充满硫酸钾溶液。光阴极包括 p型(100)掺硼单晶硅纳米片15和CQDs纳米颗粒层16，P型(100)掺硼单晶硅纳米线长约7.7μm、直径约150nm，P-Si的禁带宽度为1.12eV，导带能级为-0.5eV(vsRHE)，具有较高的还原能力，CQDs纳米颗粒层的大小为 2～10nm，具有较强的荧光性和电催化活性。生物阳极3和光阴极11通过钛导线2连接，导线2上连接有外接电阻1。
以上所述实施方式，只是本实用新型的较佳实施方式，并非限制本实用新型实施范围，故凡依本实用新型申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括本实用新型专利范围内。

Claims (3)

1.一种微生物燃料电池驱动的光电化学池制氢装置，所述装置包括电阻(1)钛导线(2)碳纤维刷(3)阳极室(4)阳离子膜(5)螺丝(6)胶垫(7)缓冲室(8)阴离子膜(9)阴极室(10)光阴极(11)塑料软管(12)气体收集袋(13)，其特征在于：所述阳极室(4)、缓冲室(8)与阴极室(10)之间通过胶垫(7)由螺丝(6)固定；所述胶垫(7)与阳离子膜(5)共同夹在阳极室(4)与缓冲室(8)之间；所述胶垫(7)与阴离子膜(9)共同夹在缓冲室(8)与阴极室(10)之间；所述阳极室(4)设有碳纤维刷(3)并充满剩余活性污泥；所述缓冲室(8)充满磷酸盐缓冲溶液；所述阴极室(10)设有光阴极(11)并充满硫酸钾溶液；所述光阴极(11)包括P型(100)掺硼单晶硅片导电基板(15)和CQDs纳米颗粒层(16)，所述碳纤维刷(3)和光阴极(11)通过钛导线(2)连接，所述钛导线连接外接电阻(1)，所述阴极室(10)的一侧设有光源(14)。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池驱动的光电化学池制氢装置，其特征在于：所述P型(100)掺硼单晶硅片导电基板(15)通过化学刻蚀法制备而成，基板上形成了长约7.7μm、直径约150nm有序纳米阵列；所述CQDs纳米颗粒层(16)通过石墨阳极氧化法制备而成，颗粒粒径为2～10nm，具有较强的荧光性。
3.如权利要求1所述的微生物燃料电池驱动的光电化学池制氢装置，其特征在于：所述有机玻璃室之间放置厚度为5mm的胶垫，通过螺丝固定。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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