RU178485U1 - Анод для биотопливного элемента из карбонизованного волокнистого материала - Google Patents

Анод для биотопливного элемента из карбонизованного волокнистого материала Download PDF

Info

Publication number
RU178485U1
RU178485U1 RU2017146702U RU2017146702U RU178485U1 RU 178485 U1 RU178485 U1 RU 178485U1 RU 2017146702 U RU2017146702 U RU 2017146702U RU 2017146702 U RU2017146702 U RU 2017146702U RU 178485 U1 RU178485 U1 RU 178485U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
resistance
biofuel
fibrous material
specific
Prior art date
Application number
RU2017146702U
Other languages
English (en)
Inventor
Раиф Гаянович Василов
Мария Владиславовна Вишневская
Тимофей Евгеньевич Григорьев
Анатолий Николаевич Решитилов
Тимур Хасянович Тенчурин
Виссарион Георгиевич Мамагулашвили
Алексей Дмитриевич Шепелев
Сергей Николаевич Чвалун
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2017146702U priority Critical patent/RU178485U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU178485U1 publication Critical patent/RU178485U1/ru

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области биотехнологии, в частности к биоэлектродам на основе углеродных высокодисперсных материалов (УВМ) с иммобилизованными бактериальными клетками Gluconobacter oxydans, которые могут быть использованы в биотопливных элементах (БТЭ). Технический результат состоит в том, что благодаря большой удельной поверхности и небольшим удельным объемным сопротивлением электрод обладает малым удельным сопротивлением, что позволяет получить значительное увеличение максимальной мощности. Для достижения указанного технического результата предложен анод для биотопливного элемента из карбонизованного нетканого волокнистого материала на основе ПАН полученного методом электроформования и состоящего из волокон диаметром 300-800 нм с плотностью упаковки 3-10%, с удельной поверхностью 500-2000 м/г, удельным объемным сопротивлением, не более, 103 Ом см, и имеющего толщину от 0,3 до 3,2 мм.

Description

Область техники
Настоящая полезная модель относится к области биотехнологии, в частности к способу получения электроэнергии за счет переработки биоматериала живыми организмами. Биоэлектроды на основе углеродных высокодисперсных материалов (УВМ) с иммобилизованными бактериальными клетками Gluconobacter oxydans могут быть использованы в биотопливных элементах (БТЭ), которые имеют широкий спектр применения.
Уровень техники
Важнейшей проблемой современной мировой экономики является поиск возобновляемых источников энергии. Одним из способов получения электрической энергии является генерация ее при помощи биокатализаторов (выделенных ферментов или ферментов, присутствующих в клетках микроорганизмов), и преобразования химической энергии в электрическую в биотопливных элементах (БТЭ). В качестве органического субстрата (источника химической энергии) могут выступать органические соединения, как находящиеся в сточных водах, так и полученные специально. Лимитирующими факторами эффективной генерации энергии на электродах является способность материала электрода принимать электроны, его электропроводимость, а также диффузионная эффективность электродной системы.
Также как любой обычный топливный элемент, БТЭ включает два электрода, анод и катод, один или оба которых являются биоэлектродами и содержат биокатализатор. Потребляя субстрат (топливо) биокатализатор анода выделяет электроны, которые участвуют в восстановлении деполяризатора (в основном, кислорода) на поверхности катода. Комплекс электрохимических реакций в БТЭ зависит от взаимодействия биокатализатора с электродами, медиаторами, диффузии субстрата и продуктов его трансформации. При формировании БТЭ на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов или ферментов важен выбор носителя - материала электрода. Материал электрода и его взаимодействие с микробной биопленкой, в значительной степени, определяют производительность БТЭ. [1] Huang L, Regan JM, Quan X. Electron transfer mechanisms, new applications, and performance of biocathode microbial fuel cells. Bioresour Technol 2011; 102(1):316-323.
Сопротивление электрода зависит от материала, из которого изготовлен электрод, и может быть снижено использованием специальных покрытий, дополнительного катализатора, слабого электролита [2] Ouitrakul S, Sriyudthsak М, Charojrochkul S, Kakizono Т. Impedance analysis of bio-fuel cell electrodes. Biosens Bioelectron 2007; 23(5):721-727.
В топливном элементе, движение заряда от места реакции на электрод и обратно предполагает некоторое сопротивление, которое называется сопротивлением переноса заряда, которое обратно пропорционально скорости реакции [3, 4] Larminie J, Dicks A, McDonald MS. Fuel cell systems explained, vol. 2. Chichester: Wiley; 2003., Zhang Y, Sun J, Hou B, Hu Y. Performance improvement of air-cathode single-chamber microbial fuel cell using a mesoporous carbon modified anode. J Power Sources 2011; 196(18):7458-7464.
В микробном топливном элементе, биопленка на электроде обеспечивает большую проводящую поверхность, что облегчает перенос электронов и уменьшает сопротивление переноса заряда [5] Manohar AK, Bretschger О, Nealson KH, Mansfeld F. The polarization behavior of the anode in a microbial fuel cell. Electrochim Acta 2008; 53(9):3508-3513.; Srikanth S, Marsili E, Flickinger MC, Bond DR. Electrochemical characterization of geobacter sulfurreducens cells immobilized on graphite paper electrodes. Biotechnol Bioeng 2008; 99(5):1065-1073.
Основными показателями, по которым можно оценить качество БТЭ, являются удельные значения максимальной мощности, внутреннего сопротивления и сопротивление биоэлектрода. На эти показатели существенное влияние оказывает материал, из которого изготовлен электрод. Как правило, для материала анода используется углерод в виде нанотрубок, углеродных и полимерных (нано) волокон, частиц графита и сажи, т.е. в изделиях обладающих развитой поверхностью. Значительный интерес к углеродным волокнистым материалам, УВМ, обусловлен потенциальной возможностью применения их в качестве основы для создания электродов топливных и биотопливных элементов, возможностью изменять в широком диапазоне удельную поверхность, диаметр волокон и плотность упаковки. УВМ обладают полезными для их применения электрофизическими свойствами, в том числе высокой удельной поверхностью [6] Naraghi М., Chasiotis I., Kahn, Н., Wen Y., Dzenis, Y. Mechanical Deformation and Failure of Electrospun Polyacrylonitrile Nanofibers as a Function of Strain Rate // Appl. Phys. Lett, 2007. V. 91. №15. P. 1901.
В работе [7] A.H. Решитилов, Ю.В. Плеханова, С.Е. Тарасов, В.А. Арляпов, В.В. Колесов, М.А. Гуторов, П.М. Готовцев, Р.Г. Василов, Влияние некоторых наноматериалов на окисление этилового спирта бактериальными клетками Gluconobacter oxydans, ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2017, том 53, №1, с. 1-8, описаны БТЭ, аноды которых изготовлены из спектрального графита (СГЭ) и модифицированы. Для модификации анодов использовали терморасширенный графит (ТРГ), высоко ориентированный пиролитический графит (ВОПГ) и функционализированные многостенные нанотрубки (ФМНТ). В этой работе было проведено сравнение основных характеристик БТЭ с модифицированными анодами. Полученные результаты представлены в таблице 1 «Сравнение характеристик БТЭ с анодами из СГЭ, модифицированные различным образом».
Figure 00000001
В статье показано, что модификация электрода из спектрального графита углеродными нанотрубками позволяла уменьшить сопротивление переноса заряда на 48% и увеличить ток окисления на циклических вольтамперных характеристиках при напряжении в 200 мВ на 21% по сравнению с немодифицированным электродом. Снижение удельных значений сопротивления и величин сопротивления переноса заряда, позволило получить достаточно большую мощность БТЭ. Терморасширенный и пиролитический графиты увеличивали сопротивление биоэлектрода до 4050 и 8447 Ом см2 соответственно, что значительно уменьшало максимальную мощность источника. В работе [8] Selvakumar Palanisamy, Srikanth Cheemalapati, Shen-Ming Chen. An Enzymatic Biofuel cell Based On Electrochemically Reduced Graphene Oxide and Multiwalled Carbon nanotubes/Zinc oxide Modified Electrode. Int. J. Electrochem. Sci., 7 (2012) 11477-11487, описан БТЭ в котором анод изготовлен из восстановленного оксида графена, а катод - многостенные углеродные нанотрубки/ZnO. Удельная мощность такого источника составила 54 нВт/см2.
В статье [9] G. Gnana kumar, Saud Hashmi, Chandrasekaran Karthikeyan, Amin GhavamiNejad, Mohammad Vatankhah-Varnoosfaderani, Florian J. Stadler. Graphene Oxide/Carbon Nanotube Composite Hydrogels-Versatile Materials for Microbial Fuel Cell Applications. Macromol. Rapid Commun. 2014, 35, 1861-1865, описан биоэлектрод в котором анод изготовлен из геля на основе полиакриламида, наполненного углеродными нанотрубками, его удельная мощность составляет 264 мВт/м2 и биоэлектрод в котором анод изготовлен из чистого геля полиакриламида. Удельная мощность этого биоэлектрода 43 мВт/м2. Из полученных значений видно, что использование в аноде углеродных нанотрубок значительно увеличивает удельную мощность источника. Полученный результат совершенно закономерен, т.к. удельная поверхность нанотрубок достигает 600 м2/г, а их проводимость аналогична проводимости металлов [10], pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/… копия, Углеродные нанотрубки (Золотухин И.В., 1999), Физика.
По своим характеристикам БЭТ, в состав которого входит анод в виде геля с углеродными нанотрубками, наиболее близок к предложенной полезной модели.
Технической задачей является создание анода, позволяющего получить БЭТ с характеристиками, превосходящими вышеописанные аналоги.
Технический результат состоит в том, что благодаря большой удельной поверхности и небольшим удельным объемным сопротивлением электрод обладает малым удельным сопротивлением, что позволяет получить значительное увеличение максимальной мощности.
Для достижения указанного технического результата предложен анод для биотопливного элемента из карбонизованного нетканого волокнистого материала на основе ПАН полученного методом электроформования и состоящего из волокон диаметром 300-800 нм с плотностью упаковки 3-10%, с удельной поверхностью 500-2000 м2/г, удельным объемным сопротивлением, не более, 103 Ом см2, и имеющего толщину от 0.3 до 3.2 мм
Материал для анода получают методом электроформования [11] Филатов Ю.Н., Электроформование волокнистых материалов (ЭВФ процесс), Москва, ГНЦ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 1997, 297 с., обеспечивающим прочность, не менее, 7.0 мПа и относительное удлинение, не менее, 6.0%.
Применение предполагаемой полезной модели обеспечивает создание БТЭ с максимальной удельной мощностью превышающей аналогичный показатель известных моделей.
Приводим примеры изготовления из карбонизованного волокнистого материала для изготовления анода для БТЭ.
Пример 1.
Получение волокнистого нетканого материала из ПАН проводится из полимерного 10% раствора полимера в ДМФА. Формование проводилось с производительностью 1.0 см3/ч, на вращающийся со скоростью 5 об/мин, металлический заземленный электрод диаметром 130 мм. Процесс велся при напряжении 24 кВ при межэлектродном расстоянии 27 см, температуре воздуха 24°С и влажности 34%. Полученный материал состоял из волокон диаметром 700 нм и плотностью упаковки 9%.
Температурная обработка проводилась в две стадии, сначала термоокислительная стабилизация, а затем карбонизация. Термоокислительная стабилизация (сшивка) проводилась в присутствии кислорода воздуха в диапазоне температур от 20 до 275°С, со средней скоростью 1.5°С/мин. Конечная температура окислительной стабилизации составляла 275°С.
Вторую стадию температурной обработки карбонизацию проводили в инертной среде (N2) в диапазоне температур от 275 до 1000°С. Средняя скорость подъема температуры составляла 5°С/мин. Объемный расход инертного газа составлял 40 л/ч. Средний диаметр карбонизированного волокна при температуре 1000°С составил 430 нм.
Анод из этого материала с диаметром волокон 430 нм имеет: плотность упаковки 7%, удельную поверхность 760 м2/г, удельное объемное сопротивление 510 Ом⋅см2 и толщину 0.5 мм.
БТЭ, в котором был установлен анод из этого материала, обладает следующими электрофизическими характеристиками (таблица 2).
Figure 00000002
Пример 2.
Получение волокнистого нетканого материала из ПАН проводится из полимерного 10% раствора полимера в ДМФА. Формование проводилось с производительностью 1 см3/ч, на вращающийся со скоростью 20 об/мин, металлический заземленный электрод диаметром 130 мм. Процесс велся при напряжении 24 кВ при межэлектродном расстоянии 27 см, температуре воздуха 24°С и влажности 34%. Полученный материал состоял из волокон диаметром 0.5 мкм и плотностью упаковки 12%.
Температурная обработка проводилась в две стадии, сначала термоокислительную стабилизацию, а затем карбонизацию. Термоокислительная стабилизация (сшивка) проводилась в присутствии кислорода воздуха, в диапазоне температур от 20 до 275°С, со средней скоростью 1.5°С/мин. Конечная температура окислительной стабилизации составляла 275°С.
Вторую стадию температурной обработки карбонизацию проводили в инертной среде (N2) в диапазоне температур от 275 до 1500°С. Скорость подъема температуры составляла 5°С/мин. Объемный расход инертного газа составлял 40 л/ч. Средний диаметр карбонизированного волокна, при температуре 1500°С, составил 380 нм.
Анод из этого материала с диаметром волокон 380 нм имеет: плотность упаковки 9%, удельную поверхность 1830 м2/г, удельное объемное сопротивление 210 Омсм2 и толщину 2.4 мм.
БТЭ, в котором был установлен анод из этого материала, обладает следующими электрофизическими характеристиками (табл. 3).
Figure 00000003
Таким образом, полезная модель позволит достичь технического результата, а именно: получить биотопливный элемент с малым удельным сопротивлением, что позволяет получить значительное увеличение максимальной мощности до 274 мВт/м2 превышающей максимальную мощность, достигнутую в аналоге. Кроме того, использование в устройстве карбонизованного нетканого волокнистого материала позволит значительно снизить его стоимость. Этот материал прекрасно совместим с бактериальными клетками Gluconobacter oxydans, что важно для использования в биотопливных элементах (БТЭ), которые имеют широкий спектр применения.

Claims (1)

  1. Анод для биотопливного элемента из карбонизованного нетканого волокнистого материала на основе ПАН полученного методом электроформования и состоящего из волокон диаметром 300-800 нм с плотностью упаковки 3-10%, с удельной поверхностью 500-2000 м2/г, удельным объемным сопротивлением, не более 103 Ом⋅см2, и имеющего толщину от 0,3 до 3,2 мм.
RU2017146702U 2017-12-28 2017-12-28 Анод для биотопливного элемента из карбонизованного волокнистого материала RU178485U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146702U RU178485U1 (ru) 2017-12-28 2017-12-28 Анод для биотопливного элемента из карбонизованного волокнистого материала

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146702U RU178485U1 (ru) 2017-12-28 2017-12-28 Анод для биотопливного элемента из карбонизованного волокнистого материала

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU178485U1 true RU178485U1 (ru) 2018-04-05

Family

ID=61867820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017146702U RU178485U1 (ru) 2017-12-28 2017-12-28 Анод для биотопливного элемента из карбонизованного волокнистого материала

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU178485U1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003054995A1 (en) * 2001-12-11 2003-07-03 Powerzyme, Inc. Stabilized biocompatible membranes of block copolymers and fuel cells produced therewith
US8241798B1 (en) * 2009-04-13 2012-08-14 Hrl Laboratories, Llc Methods and apparatus for increasing biofilm formation and power output in microbial fuel cells
US20130230744A1 (en) * 2010-11-18 2013-09-05 Japan Science And Technology Agency Electrode for microbial fuel cell and microbial fuel cell using the same
RU2012151528A (ru) * 2010-06-09 2014-06-10 Сони Корпорейшн Топливный элемент

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003054995A1 (en) * 2001-12-11 2003-07-03 Powerzyme, Inc. Stabilized biocompatible membranes of block copolymers and fuel cells produced therewith
US8241798B1 (en) * 2009-04-13 2012-08-14 Hrl Laboratories, Llc Methods and apparatus for increasing biofilm formation and power output in microbial fuel cells
RU2012151528A (ru) * 2010-06-09 2014-06-10 Сони Корпорейшн Топливный элемент
US20130230744A1 (en) * 2010-11-18 2013-09-05 Japan Science And Technology Agency Electrode for microbial fuel cell and microbial fuel cell using the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Binder-free graphene and manganese oxide coated carbon felt anode for high-performance microbial fuel cell
JP5494996B2 (ja) 微生物燃料電池用電極及びそれを用いた微生物燃料電池
Lv et al. Enhanced electrochemical activity of carbon felt for V2+/V3+ redox reaction via combining KOH-etched pretreatment with uniform deposition of Bi nanoparticles
Guo et al. Free-standing nitrogen-doped carbon nanotubes at electrospun carbon nanofibers composite as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction
Li et al. In-situ modified titanium suboxides with polyaniline/graphene as anode to enhance biovoltage production of microbial fuel cell
CN110970628B (zh) 一种纳米碳纤维和金属复合电极及其应用
Aryal et al. Highly conductive poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate polymer coated cathode for the microbial electrosynthesis of acetate from carbon dioxide
Zheng et al. Appropriate mechanical strength of carbon black-decorated loofah sponge as anode material in microbial fuel cells
Rout et al. Enhanced energy recovery by manganese oxide/reduced graphene oxide nanocomposite as an air-cathode electrode in the single-chambered microbial fuel cell
Kang et al. Facile reconstruction of microbial fuel cell (MFC) anode with enhanced exoelectrogens selection for intensified electricity generation
Ma et al. Improving the performance of microbial fuel cells by reducing the inherent resistivity of carbon fiber brush anodes
Tsai et al. Characterization of Carbon Nanotube/Graphene on Carbon Cloth as an Electrode for Air‐Cathode Microbial Fuel Cells
Roh et al. Carbon nanotube composite electrode coated with polypyrrole for microbial fuel cell application
Mehdinia et al. Nanostructured polyaniline-coated anode for improving microbial fuel cell power output
Park et al. Direct electron transfer in E. coli catalyzed MFC with a magnetite/MWCNT modified anode
Jiménez-Rodríguez et al. Decreasing microbial fuel cell start-up time using multi-walled carbon nanotubes
Xu et al. Improving electron transport efficiency and power density by continuous carbon fibers as anode in the microbial fuel cell
Song et al. Electrophoretic deposition of multi-walled carbon nanotube on a stainless steel electrode for use in sediment microbial fuel cells
Feng et al. Pore‐Matched Sponge for Microorganisms Pushes Electron Extraction Limit in Microbial Fuel Cells
Li et al. Modification of PPy‐NW Anode by Carbon Dots for High‐performance Mini‐microbial Fuel Cells
Gangadharan et al. Heterocyclic aminopyrazine–reduced graphene oxide coated carbon cloth electrode as an active bio-electrocatalyst for extracellular electron transfer in microbial fuel cells
KR20180096953A (ko) 미생물 연료전지의 금속코팅 탄소기반 나노섬유 전극 개발
RU178485U1 (ru) Анод для биотопливного элемента из карбонизованного волокнистого материала
Patel et al. Carbon nanotube based anodes and cathodes for microbial fuel cells
TW202105815A (zh) 微生物燃料電池及其製造方法