PL223086B1 - Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym i materiał elektrodowy - Google Patents
Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym i materiał elektrodowyInfo
- Publication number
- PL223086B1 PL223086B1 PL404056A PL40405613A PL223086B1 PL 223086 B1 PL223086 B1 PL 223086B1 PL 404056 A PL404056 A PL 404056A PL 40405613 A PL40405613 A PL 40405613A PL 223086 B1 PL223086 B1 PL 223086B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- graphite
- electrode material
- minutes
- solution
- pmol
- Prior art date
Links
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 title claims description 17
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 13
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 title claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 34
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 34
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 claims description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 5
- MTJGVAJYTOXFJH-UHFFFAOYSA-N 3-aminonaphthalene-1,5-disulfonic acid Chemical compound C1=CC=C(S(O)(=O)=O)C2=CC(N)=CC(S(O)(=O)=O)=C21 MTJGVAJYTOXFJH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ROSDSFDQCJNGOL-UHFFFAOYSA-N Dimethylamine Chemical compound CNC ROSDSFDQCJNGOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XTEGARKTQYYJKE-UHFFFAOYSA-N chloric acid Chemical compound OCl(=O)=O XTEGARKTQYYJKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229940005991 chloric acid Drugs 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 4
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 4
- IDGUHHHQCWSQLU-UHFFFAOYSA-N ethanol;hydrate Chemical compound O.CCO IDGUHHHQCWSQLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 150000003057 platinum Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 3
- 230000000274 adsorptive effect Effects 0.000 claims description 2
- PXSXRABJBXYMFT-UHFFFAOYSA-N n-hexylhexan-1-amine Chemical compound CCCCCCNCCCCCC PXSXRABJBXYMFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JACMPVXHEARCBO-UHFFFAOYSA-N n-pentylpentan-1-amine Chemical compound CCCCCNCCCCC JACMPVXHEARCBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- HPNMFZURTQLUMO-UHFFFAOYSA-N diethylamine Chemical compound CCNCC HPNMFZURTQLUMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 238000006392 deoxygenation reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 18
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 18
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 17
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 9
- DKVNPHBNOWQYFE-UHFFFAOYSA-N carbamodithioic acid Chemical compound NC(S)=S DKVNPHBNOWQYFE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000012990 dithiocarbamate Substances 0.000 description 7
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 4
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 3
- 102100025912 Melanopsin Human genes 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000013213 metal-organic polyhedra Substances 0.000 description 3
- 238000012011 method of payment Methods 0.000 description 3
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001408630 Chloroclystis Species 0.000 description 2
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 2
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 2
- VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N Fe3+ Chemical compound [Fe+3] VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M Sodium acetate Chemical compound [Na+].CC([O-])=O VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 description 2
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 2
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 2
- 150000004032 porphyrins Chemical class 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 2
- -1 simple sugars Chemical class 0.000 description 2
- 235000017281 sodium acetate Nutrition 0.000 description 2
- 239000001632 sodium acetate Substances 0.000 description 2
- BAZAXWOYCMUHIX-UHFFFAOYSA-M sodium perchlorate Chemical compound [Na+].[O-]Cl(=O)(=O)=O BAZAXWOYCMUHIX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910001488 sodium perchlorate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- BTJIUGUIPKRLHP-UHFFFAOYSA-N 4-nitrophenol Chemical class OC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1 BTJIUGUIPKRLHP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000607528 Aeromonas hydrophila Species 0.000 description 1
- KXDHJXZQYSOELW-UHFFFAOYSA-M Carbamate Chemical compound NC([O-])=O KXDHJXZQYSOELW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 241000193403 Clostridium Species 0.000 description 1
- 241000194030 Enterococcus gallinarum Species 0.000 description 1
- 241001135750 Geobacter Species 0.000 description 1
- 241001134718 Rhodoferax Species 0.000 description 1
- 241000863432 Shewanella putrefaciens Species 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000000205 computational method Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- MZGNSEAPZQGJRB-UHFFFAOYSA-N dimethyldithiocarbamic acid Chemical group CN(C)C(S)=S MZGNSEAPZQGJRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- YAGKRVSRTSUGEY-UHFFFAOYSA-N ferricyanide Chemical compound [Fe+3].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] YAGKRVSRTSUGEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000002697 manganese compounds Chemical class 0.000 description 1
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L manganese oxide Inorganic materials [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N manganese(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Mn+2] PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000037353 metabolic pathway Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 235000021309 simple sugar Nutrition 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
Description
Opis wynalazku
Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym, i materiał elektrodowy mający zastosowanie w produkcji energii z materii organicznej występującej w środowisku naturalnym lub obecnej w odpadach. Mikr obiologiczne ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie m. in. do usuwania zanieczyszczeń np. azotanów lub p-nitrofenoli. Innym potencjalnym zastosowaniem może być produkcja wybranych związków chemicznych, np. nadtlenku wodoru lub konstrukcja biosensorów do pomiaru biologicznego zapotrzebowania tlenu w ściekach.
Stan techniki. Materia organiczna jest idealnym surowcem do produkcji rozmaitych nośników energii takich jak wodór, metan lub bioelektryczność. Wytwarzanie bioelektryczności z materii organicznej możliwe jest w bioelektrochemicznych reaktorach nazywanych mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi (MOP). Mopsy wykorzystują rozmaite, występujące naturalnie mikroorganizmy posiadające metaboliczne szlaki do utleniania związków organicznych. Jako dawcę elektronów stosuje się łatwo ulegające metabolicznym przemianom organiczne związki, takie jak proste cukry, małocząsteczkowe kwasy organiczne i skrobia [H. Liu i wsp. Environ. Sci. Technol., 39 (2005) 658]. Niestety większość z nich stanowi wartościowy surowiec dla innych branż przemysłu chemicznego lub spożywczego, dlatego mało cenna masa organiczna, odpady lub morskie osady denne również są rozważane jako paliwo w mopsach [B. Min i wsp. Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 5009].
W MOP, w których stałym utleniaczem jest wolny metal lub grafit - elektroda (anoda), stosuje się bakterie wykazujące zdolność wykorzystywania utleniacza w stanie stałym, np. związki żelaza lub manganu [K. Rabaey i wsp., Trends Biotechnol. 23 (2005) 291]. Bakterie takie określone są jako „elektroaktywne” i są to m.in. Aeromonas hydrophila, Clostridium Butryricum, Desulfabulbus propionicus, Enterococcus gallinarum. Geobacter sulfurreducenes, Rhodoferax ferrireducenes i Shewanella putrefaciens.
Konstrukcje Mopsów zwykle składają się z anody i katody umieszczonych w oddzielnych komorach przedzielonych przez polimerową, membranę kationoselektywną (PEM). Przegroda taka jest niezbędna, gdy w reakcji katodowej wykorzystywany jest tlen. W takim przypadku roztwór katolitu nasycony jest tlenem, który nie powinien dyfundować do anolitu, gdzie konieczne są warunki anaerobowe. PEM muszą zatrzymywać tlen i jednocześnie umożliwiać swobodny transfer jonów wodorowych z anolitu do katolitu. Niestety, obecnie dostępne membrany przepuszczają protony mało wydajnie (selektywnie), co powoduje powstanie gradientu pH - kwaśnego w anolicie i zasadowego w katolicie. Ten gradient potencjału obniża różnicę potencjałów termodynamicznych pomiędzy elektrodami (tzn. moc elektryczna ogniwa spada).
Niektórzy autorzy badali ogniwa pozbawione membrany, jednakże takie rozwiązanie powoduje znaczny spadek wydajności kulombowskiej(nawet do poziomu 12%), wskutek bezpośredniego utleniania substancji organicznej przez tlen [H. Liu i wsp. Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 4040].
Najczęściej stosowanym reagentem katodowym w MOP jest tlen, z powodu powszechnej dostępności w środowisku, bardzo wysokiego potencjału redoksowego oraz zrównoważenie ekologicznego
O2 + 4H+ +4e 2H2O
Pewne ograniczenia jednakże obniżają skuteczność tlenu jako akceptora elektronowego, tj. jego niska rozpuszczalność w wodzie oraz wysoka energia aktywacji (wysoki nadpotencjał) redukcji do wody zwłaszcza na elektrodzie grafitowej, czego efektem jest spadek napięcia ogniwa. Ten wysoki nadpotencjał aktywacji można obniżyć stosując katalizatory, jak np. platynę [S. Cheng i wsp., Environ. Sci. Technol., 40 (2006) 364] lub porfiryny i ftalocyjaniany metali przejściowych [F. Zhao i wsp., Electrochem. Commun., 7 (2005) 1405]. Wiele z tych katalizatorów jest jednak bardzo drogich i/lub podatnych na zatrucia.
W celu poprawienia sprawności reakcji redukcji na katodzie badano rozmaite modyfikacje składu wyższenie kinetyki reakcji katodowej, jednakże niewystarczająco [J. K. Jang i wsp. Process Biochem., 39 (2004) 1007]. Zastosowanie heksacyjanożelazianu (III) jako akceptora elektronów znacząco przyśpiesza szybkość reakcji redukcji [K. Rabaey i wsp., Biotechnol. Lett., 25 (2003) 1531], lecz ten związek nie jest odpowiedni do praktycznych zastosowań z powodu toksyczności i niemożności regeneracji za pomocą tlenu. Zastosowanie platyny jako katalizatora redukcji tlenu na elektrodzie grafitowej znacznie obniża nadpotencjał aktywacji reakcji [S. Oh i wsp. Environ. Sci. Technol., 38 (2004) 4900]. Chociaż platyna jest bardzo dobrym katalizatorem, to jej wysoka cenna i podatność na zatrucia
PL 223 086 B1 powoduje konieczność poszukiwania zamienników. Z takim nastawieniem badano porfiryny i ftaloc yjaniany metali przejściowych (Co, Fe) [F. Zhao i wsp., Environ. Sci. Technol., 40 (2006) 5193]. Biologiczne katalizatory są także atrakcyjne, gdyż utrzymują aktywność w temperaturze otoczenia i podlegają odtwarzaniu. Biologiczne katalizatory można zastosować w postaci enzymów lub użyć mikroorganizmy, te ostatnie mają dodatkowy atut, gdyż wytwarzają potrzebny enzym w miejscu reakcji. Bergel i inni odkryli, że biofilm na stalowej katodzie w środowisku morskim zwiększa wydajność redukcji tlenu [A.Bergel i wsp., Electrochem. Commun., 7 (2005) 900]. Rhoads i inni [A. Rhoads i wsp., Environ. Sci. Technol., 39 (2005) 4666] zastosowali biomineralizowane tlenki manganu jako katodowe reagenty. Podczas pracy mikrobiologicznego ogniwa ditlenek manganu podlegał redukcji do rozpuszczalnych soli Mn(II), które następnie były utleniane; biokatalitycznie do wyjściowej formy MnO2 z udziałem tlenu rozpuszczonego w wodzie. Para redoks Mn(II)/MnO2 działa w takich okolicznościach jako mediator transferu elektronów pomiędzy elektrodą i mikroorganizmami redukującymi tlen. Heijne i inni badali możliwość użycia pary redoks Fe(III)/Fe(II) jako katodowego mediatora dla redukcji tlenu [A. T. Heijne i wsp., Environ. Sci. Technol., 40 (2006) 5200]. Rozwiązanie to ma jednak poważną wadę w postaci konieczności utrzymywania niskiego pH katolitu dla zapewnienia rozpuszczalności związków Fe(III).
Istota wynalazku. Materiał elektrodowy w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera adsorpcyjną czyli warstwę monowarstwę N,N-dialkiloditiokarbaminianu na powierzchni grafitu lub na powierzchni grafitu z osadzonymi galwanicznie klastrami platyny. Zaadsorbowany N,N-dialkiloditiokarbaminian podczas pracy ogniwa podlega redukcji katodowej zgodnie z reakcją:
RS ads + e >RS ads
Powstający w wyniku redukcji anion ditiokarbaminianowy nie ulega desorpcji, lecz jest natychmiast utleniany przez tlen obecny w katolicie. Reakcja utleniania anionu N,N-dialkiloditiokarbaminianowego za pomocą tlenu biegnie szybko i wydajnie. Standardowy potencjał redox redukcji tlenu przy pH=7 wynosi +0,82V, zaś przy pH=10 Eo =+0,64V, zatem nawet dość znaczna alkalizacja katolitu nie spowoduje zahamowanie utleniania N,N-dialkiloditiokarbaminianu.
4RS-ads + 2H2O + O2 4RS ads + 4OH-
Rola tlenu wprowadzonego do katolitu polega na regeneracji formy rodnikowej zaadsorbowanego ditiokarbaminianu, dzięki czemu ten ostatni faktycznie spełnia rolę wydajnego mediatora transferu elektronów od bakterii do terminalnego utleniacza jakim jest tlen.
Sposób otrzymywania materiału elektrodowego według wynalazku, charakteryzuje się tym, że powierzchnię grafitowego podłożą poddaje się oczyszczaniu przez wygrzanie w obojętnej atmosferze w temperaturze od 350°C do 550°C, a następnie zanurza się na okres od 30 do 90 minut, korzystnie na 60 minut, w roztworze kwasu azotowego o stężeniu od 10 do 40% obj., korzystnie o stężeniu 25% obj., o temperaturze od 60°C do 90°C, korzystnie 80°C. Następnie odtlenia się za pomocą argonu roztwór o składzie 0,1 M kwasu chlorowego VII i od 0,1 do 0,3 mM kwasu heksachloroplatynowego IV, korzystnie 0,2 mM. Kolejno prowadzi się elektrolizę z osadzaniem platyny natychmiast po zanurzeniu grafitu w kąpieli, zaś po zaprzestaniu elektrolizy elektrodę wyciąga się. Po opłukaniu wodą i etanolem absolutnym, czysta elektroda zostaje zanurzona w roztworze etanolowym zawierającym 1-100 pmol CS2 na 1 cm powierzchni grafitu, korzystnie 50 pmol CS2 i 1-100 pmol aminy na 1 cm powierzchni grafitu, korzystnie 50 pmol CS2, na okres od 1 do 5 minut, korzystnie 3 minuty. Grafitowym podłożem może być filc albo mata albo pręt albo folia. Zastosowanym roztworem aminy może być dimetyloamina albo dityloamina albo dipentyloamina albo diheksyloamina.
Materiał elektrodowy do mikrobiologicznych ogniw paliwowych zawierający zaadsorbowaną warstwę ditiokarbaminianu pozwala na uzyskanie wysokich wydajności energetycznych.
Materiał elektrodowy i sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym, przedstawiono w poniższych przykładach wykonania.
Objaśnienie figur na rysunku. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pomiary chronowoltamperometryczne elektrody grafitowej modyfikowanej zaadsorbowaną warstwą ditiokarbaminianu, roztwór elektrolitu zawiera 0,1 M NaClO4, fig. 2 budowa warstwy adsorbcyjnej ditiokarbaminianu na graficie, a na fig. 3 budowa warstwy karbaminiany na graficie pokrytym klastrami platyny.
PL 223 086 B1
Przykłady wykonania wynalazku.
P r z y k ł a d 1
Budowa ogniwa mikrobiologicznego z materiałem elektrodowym według wynalazku.
Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe typu H, składa się z anaerobowej komory anodowej i komory katodowej. Obie komory połączone są śluzą przekroju 2mm, zamkniętą membraną kationoselektywną. Komora anodowa wypełniona jest anolitem o składzie: bufor fosforanowy o pH 7,20 mM octanu sodu, oraz odwodniony osad czynny w ilości 1 ml/1 dm . W anolicie zanurzona jest elektroda grafitowa w postaci folii o pow. 20 cm . Roztwór jest odtleniony za pomocą azotu. Katolit zawiera bufor fosforanowy o pH 4, oraz elektrodę grafitową modyfikowaną N,N-dimetyloditiokarbaminanem. Katolit jest w sposób ciągły silnie napowietrzony. Obie elektrody zwarto opornikiem 50 Ω. Pomiar potencjału ogniwa rejestruje woltomierz. Ogniwo pracuje w sposób ciągły. Potencjał ogniwa wynosi około 0,80 V. Praca ogniwa jest podtrzymywana okresowym dozorowaniem octanu sodu.
P r z y k ł a d 2
Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym według wynalazku.
Matę grafitową przed modyfikacją poddano oczyszczaniu przez wygrzanie w temp. 550°C w atmosferze gazu obojętnego. Następnie filc zanurzono na 90 min. w 10% obj. Roztworze kwasu azotowego o temp. 60°C.
Proces osadzania platyny na macie grafitowej przeprowadzono w roztworze o składzie 0,1 M kwasu chlorowego VII i 0,3 mM kwasu IV heksachloroplatynowego IV. Roztwór odtleniono za pomocą argonu, i niestosowano mieszania w trakcie elektrolizy. Osadzanie platyny następowało wskutek sk okowej polaryzacji elektrody do potencjału 0,5V natychmiast po zanurzeniu grafitu w kąpieli. Ilość os adzonej platyny oszacowano na podstawie ładunku elektrycznego uzyskanego ze scałkowanej krzywej chronoaperometrycznej prąd vs czas.
P r z y k ł a d 3
Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym według wynalazku.
Matę grafitową przed modyfikacją poddano oczyszczaniu przez wygrzanie w temp. 550°C w atmosferze gazu obojętnego. Następnie filc zanurzono na 90 min. w 10% obj. Roztworze kwasu azotowego o temp. 60°C. Proces osadzania platyny na macie grafitowej przeprowadzono w roztworze o składzie 0,1 M kwasu chlorowego VII i 0,3 mM kwasu heksachloroplatynowego IV. Roztwór odtleniono za pomocą argonu, i niestosowano mieszania w trakcie elektrolizy. Osadzanie platyny następowało wskutek skokowej polaryzacji elektrody do potencjału 0,5V natychmiast po zanurzeniu grafitu w kąpieli. Ilość osadzonej platyny oszacowano na podstawie ładunku elektrycznego uzyskanego ze scałkowanej krzywej chronoaperometrycznej prąd vs czas. Po zaprzestaniu elektrolizy elektrodę natychmiast wyciągnięto. Po opłukaniu wodą i etanolem absolutnym, czysta elektroda zostaje zanurzona 2 w roztworze etanolowym zawierającym 1-100 gmol CS2 na 1 cm powierzchni grafitu, korzystnie 2 gmol CS2 i 1-100 gmol aminy na 1 cm powierzchni grafitu, korzystnie 50 gmol CS2, na okres od 1 do 5 minut, korzystnie 3 minuty.
P r z y k ł a d 4.
Potwierdzenie obecności monowarstwy ditiokarbaminianu (mediatora).
Celem potwierdzenia obecności zaadsorbowanej warstwy mediatora modyfikowany materiał elektrodowy przeniesiono do roztworu 0,1 M NaClO4 i przeprowadzono badania metodą polaryzacji chronowoltamperometrycznej. Wyniki porównano z wynikami uzyskanymi dla niemodyfikowanego materiału elektrodowego, w tym przypadku odpowiedni ditiokarbaminian w postoi soli sodowej ro zpuszczono w roztworze 0,1 M NaClO4. Doświadczenie miało wykazać utlenianie zaadsorbowanej warstwy mediatora, a jednocześnie brak jego desorpcji. Na fig. 1 przedstawiono wyniki porównane z wynikami uzyskanymi dla niemodyfikowanego materiału elektrodowego a na fig. 2 i fig. 3 przedstawiono budowę warstwy adsorpcyjnej odpowiednio na graficie i platynie.
PL 223 086 B1
T a b e l a 1.
Wartości energii adsorpcji zredukowanej i utlenionej formy ditiokarbaminianu na trzech podłożach uzyskane metodami obliczeniowymi kwantowo-chemicznymi.
| Energia adsorpcji [kcal/mol] | ||||
| Podłoże | Anion | Anion x H2O | Rodnik | Rodnik x H2O |
| grafit | 117,7 | 111,6 | 112,3 | 113,3 |
| grafit + Pt | 86,1 | 85,5 | 109,7 | 113,8 |
| Au | 48,4 | 46,3 | 19,4 | 19,4 |
Zastrzeżenia patentowe
Claims (4)
- Zastrzeżenia patentowe1. Materiał elektrodowy w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym zawierający elektrody grafitową, znamienny tym, że zawiera adsorpcyjną warstwę w postaci monowarstwy N,N-dialkiloditiokarbominianu na powierzchni grafitu lub na powierzchni grafitu z osadzonymi galwanicznie klastrami platyn).
- 2. Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym, znamienny tym, że powierzchnie grafitowego podłoża poddaje się oczyszczaniu przez wygrzewanie w obojętnej atmosferze w temperaturze od 350°C do 550°C następnie zanurza się na okres od 30 do 90 minut, korzystnie na 60 minut, w roztworze kwasu azotowego o stężeniu od 10 do 40% obj., korzystnie o stężeniu 25% obj., o temperaturze od 60°C do 90°C, korzystnie 80°C, następnie odtlenia się za pomocą argonu roztwór o składzie 0,1 M kwasu chlorowego VII i od 0,1 do 0,3 mM kwasu heksachloroplatynowego IV, korzystnie 0,2 mM, po czym prowadzi się elektrolizę z osadzaniem platyny natychmiast po zanurzeniu grafitu w kąpieli, zaś po zaprzestaniu elektrolizy elektrodę natychmiast wyciąga się, płucze wodą i etanolem absolutnym, czysta elektroda zostaje zanurzona w roztworze etanolowym zawierającym 1-100 pmoI CS2 na 1 cm na powierzchni grafitu, korzystnie 50 pmol CS2 2 i 1-100 pmol aminy na 1 cm powierzchni grafitu, korzystnie 50 pmol CS2. na okres od 1 do 5 minut, korzystnie 3 minuty.
- 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że grafitowym podłożem jest filc albo mata albo pręt albo folia.
- 4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że roztworem aminy jest dietyloamina albo dimetyloamina albo dietyloamina albo dipentyloamina albo diheksyloamina.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL404056A PL223086B1 (pl) | 2013-05-24 | 2013-05-24 | Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym i materiał elektrodowy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL404056A PL223086B1 (pl) | 2013-05-24 | 2013-05-24 | Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym i materiał elektrodowy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL404056A1 PL404056A1 (pl) | 2014-12-08 |
| PL223086B1 true PL223086B1 (pl) | 2016-10-31 |
Family
ID=52003275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL404056A PL223086B1 (pl) | 2013-05-24 | 2013-05-24 | Sposób otrzymywania materiału elektrodowego w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym i materiał elektrodowy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL223086B1 (pl) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL449091A1 (pl) * | 2024-07-01 | 2026-01-05 | Politechnika Śląska | Hybrydowa powłoka pro-adhezyjna, sposób jej otrzymywania oraz zastosowanie |
-
2013
- 2013-05-24 PL PL404056A patent/PL223086B1/pl unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL449091A1 (pl) * | 2024-07-01 | 2026-01-05 | Politechnika Śląska | Hybrydowa powłoka pro-adhezyjna, sposób jej otrzymywania oraz zastosowanie |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL404056A1 (pl) | 2014-12-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Santoro et al. | Oxygen reduction reaction electrocatalysis in neutral media for bioelectrochemical systems | |
| Cheng et al. | Hardwiring microbes via direct interspecies electron transfer: mechanisms and applications | |
| Aulenta et al. | Linking Bacterial Metabolism to Graphite Cathodes: Electrochemical Insights into the H2‐Producing Capability of Desulfovibrio sp. | |
| Siegert et al. | Comparison of nonprecious metal cathode materials for methane production by electromethanogenesis | |
| Prévoteau et al. | Electroactive biofilms for sensing: reflections and perspectives | |
| Kalathil et al. | Nanotechnology to rescue bacterial bidirectional extracellular electron transfer in bioelectrochemical systems | |
| Santoro et al. | Activated carbon nanofibers (ACNF) as cathode for single chamber microbial fuel cells (SCMFCs) | |
| Li et al. | Surface modification of microbial fuel cells anodes: approaches to practical design | |
| Qiao et al. | Electrocatalysis in microbial fuel cells—from electrode material to direct electrochemistry | |
| Rikame et al. | Modification of anode electrode in microbial fuel cell for electrochemical recovery of energy and copper metal | |
| You et al. | A graphite-granule membrane-less tubular air-cathode microbial fuel cell for power generation under continuously operational conditions | |
| Li et al. | Metals as electron acceptors in single-chamber microbial fuel cells | |
| Zhang et al. | Treating refinery wastewaters in microbial fuel cells using separator electrode assembly or spaced electrode configurations | |
| Li et al. | 3D hierarchical porous carbon foams as high‐performance free‐standing anodes for microbial fuel cells | |
| Zhou et al. | Highly ordered mesoporous carbons-based glucose/O2 biofuel cell | |
| Santoro et al. | Bilirubin oxidase based enzymatic air-breathing cathode: Operation under pristine and contaminated conditions | |
| Lee et al. | Immobilization of horseradish peroxidase on multi-wall carbon nanotubes and its electrochemical properties | |
| Guo et al. | Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems | |
| Srikanth et al. | Synergistic interaction of biocatalyst with bio-anode as a function of electrode materials | |
| Li et al. | Light-driven microbial dissimilatory electron transfer to hematite | |
| Song et al. | Various voltage productions by microbial fuel cells with sedimentary inocula taken from different sites in one freshwater lake | |
| Li et al. | Fabrication of Ti/TiO2/SnO2-Sb-Cu electrode for enhancing electrochemical degradation of ceftazidime in aqueous solution | |
| Yu et al. | Recoverable hybrid enzymatic biofuel cell with molecular oxygen-independence | |
| Sanchez et al. | Electrospun carbon fibers for microbial fuel cells: A novel bioanode design applied to wastewater treatment | |
| Sathish-Kumar et al. | Electrochemical and chemical enrichment methods of a sodic–saline inoculum for microbial fuel cells |