復(fù)合電極及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及復(fù)合電極及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池是一種利用產(chǎn)電微生物將有機物中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它能夠在處理污水的同時獲得電能。相對于傳統(tǒng)的化學電池來說，微生物燃料電池的輸出功率仍然較低，這限制了微生物燃料電池的大規(guī)模利用。陽極不僅是產(chǎn)電微生物附著的載體，又是電子傳遞的導(dǎo)體，對微生物燃料電池的輸出功率提高起著至關(guān)重要的作用。因此，尋求既能提高產(chǎn)電微生物附著量，又能提高電子傳遞速率的微生物燃料電池陽極材料顯得尤為重要。微生物燃料電池中應(yīng)用最廣泛的陽極存在生物附著量較少和電子傳遞效率較低的問題，限制了微生物燃料電池的輸出功率，不利于其推廣應(yīng)用。
[0003]因此，用于微生物電池的復(fù)合電極仍有待改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種不含有粘結(jié)劑、電極電阻低，且產(chǎn)電性能好的用于微生物電池的復(fù)合電極。
[0005]需要說明的是，本發(fā)明是基于發(fā)明人的下列工作而完成的:
[0006]由于石墨稀的具有尚比表面積、尚導(dǎo)電性，一氧化猛具有尚比電容、$父好的生物相容性，發(fā)明人以不銹鋼氈或碳氈作為導(dǎo)電基材，使用二氧化錳和石墨烯對其進行修飾得到復(fù)合電極。利用該復(fù)合電極作為微生物燃料電池陽極，可以有效提升生物的附著量，提高電子從產(chǎn)電微生物到電極的傳遞速率，從而提高了微生物燃料電池的輸出功率。
[0007]因而，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種復(fù)合電極。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該復(fù)合電極包括:導(dǎo)電基材、石墨烯和二氧化錳。
[0008]發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合電極不含粘結(jié)劑，電極電阻低，活性物質(zhì)分散性能良好，生物相容性好。并且，該復(fù)合電極采用石墨烯作為基材骨架，二氧化錳顆?？梢跃鶆虻姆稚⒂诒缺砻娣e大、導(dǎo)電性優(yōu)異的石墨烯表面，有效的提高了二氧化錳的表面積，降低了電極的電阻。根據(jù)本發(fā)明的實施例，將該復(fù)合電極應(yīng)用于微生物燃料電池陽極，可以有效提高陽極的生物附著量，提高了陽極的電子傳遞效率，從而提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能。
[0009]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的復(fù)合電極，還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述導(dǎo)電基材為不銹鋼氈或碳氈。由此，導(dǎo)電基材的導(dǎo)電性好。根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，所述導(dǎo)電基材為不銹鋼氈。由此，導(dǎo)電基材的導(dǎo)電性更佳。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述石墨烯負載于所述導(dǎo)電基材的表面上，所述二氧化錳負載于所述石墨烯和所述導(dǎo)電基材的至少之一上。由此，采用石墨烯作為基體骨架，二氧化錳顆粒可以均勻的分散于比表面積大、導(dǎo)電性優(yōu)異的石墨烯表面，有效的提高了二氧化錳的表面積，降低了電極的電阻，并且，負載二氧化錳和石墨烯的復(fù)合電極，生物相容性好，有利于微生物附著生長。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提供了一種制備前述復(fù)合電極的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法包括:(I)將氧化石墨烯負載于導(dǎo)電基材表面，以便得到導(dǎo)電基材/氧化石墨烯復(fù)合體；(2)將所述導(dǎo)電基材/氧化石墨烯復(fù)合體中的氧化石墨烯還原，以便得到導(dǎo)電基材/石墨烯復(fù)合體；以及(3)將二氧化錳負載于所述導(dǎo)電基材/石墨烯復(fù)合體表面，以便獲得所述復(fù)合電極。
[0013]發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，利用該方法制備復(fù)合電極，制備方法簡單方便，無需使用粘結(jié)劑即可實現(xiàn)氧化石墨烯和二氧化錳均勻負載于導(dǎo)電基材的表面。根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用該方法制備的復(fù)合電極，該復(fù)合電極不含粘結(jié)劑，電極的阻力低，活性物質(zhì)分散、不易團聚，電子傳遞效率高。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用丙酮對所述導(dǎo)電基材進行預(yù)處理，以便得到預(yù)處理后的導(dǎo)電基材。由此，對導(dǎo)電基材的清潔效果好。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的實施例，將氧化石墨在去離子水中進行超聲分散，以便得到所述氧化石墨烯。由此，制備氧化石墨烯的方法簡便，效果好。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用浸漬法將所述氧化石墨烯負載于所述預(yù)處理后的導(dǎo)電基材表面，以便得到導(dǎo)電基材/氧化石墨烯復(fù)合體。由此，利用該方法將氧化石墨烯負載于導(dǎo)電基材的表面，無需使用有毒化學試劑，只需將氧化石墨烯制備成氧化石墨烯溶液，通過控制氧化石墨烯溶液的的濃度和浸漬次數(shù)，即可實現(xiàn)氧化石墨烯在導(dǎo)電基材表面的均勻負載。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述導(dǎo)電基材/石墨烯復(fù)合體是在電解質(zhì)為硫酸鈉溶液，工作電極為所述導(dǎo)電基材/氧化石墨烯復(fù)合體，對電極為鈦片，參比電極為飽和甘汞電極，以及相對于飽和參比電極的恒電勢為-0.8?-1.5V的條件下，采用電化學法將所述導(dǎo)電基材/氧化石墨烯復(fù)合體進行還原得到的。由此，利用該方法將氧化石墨烯還原為石墨烯，方法簡單，易操作，無需使用有毒化學試劑，只需控制電勢等參數(shù)，即可實現(xiàn)氧化石墨烯的還原。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述將二氧化錳負載于所述導(dǎo)電基材/石墨烯復(fù)合體表面是在電解質(zhì)為硫酸鈉和硫酸錳的混合溶液，工作電極為所述不銹鋼氈-導(dǎo)電基材復(fù)合體，對電極為鈦片，參比電極為飽和甘汞電極，以及恒電流為6?1mA的條件下，采用電化學沉積法進行的。由此，利用電化學沉積法，無需使用粘結(jié)劑，以硫酸錳和硫酸鈉作為錳源和支持電解質(zhì)，在恒電流條件下將二氧化錳沉積至復(fù)合電極表面，方法簡單方便，通過控制電解質(zhì)濃度、沉積時間、電流大小即可精確控制二氧化錳負載的量
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實施例，每Icm2所述導(dǎo)電基材負載0.35±0.05mg所述氧化石墨稀。由此，電極比表面積和電容均較大。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實施例，每Icm2所述導(dǎo)電基材負載0.18±0.05mg所述二氧化猛。由此，電極的比電容較大。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種微生物燃料電池。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該微生物燃料電池包括:陽極腔室、質(zhì)子交換膜、陰極腔室和外電路，其中，所述陽極腔室包括:陽極液、陽極和產(chǎn)電微生物，所述陰極腔室包括:陰極液和陰極，所述陽極為前述復(fù)合電極。
[0022]發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，該生物燃料電池的陽極不含粘結(jié)劑，電極的阻力低，活性物質(zhì)分散、不易團聚，生物相容性好，微生物附著量大，從而，該微生物燃料電池的電子傳遞效率高，產(chǎn)電性能好。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述陰極為碳刷電極。由此，可以確保陰極快速發(fā)生反應(yīng)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述陽極液為污水，所述陰極液為鐵氰化鉀溶液。由此，陰極電勢得到提高，從而提高微生物燃料電池的輸出電壓，提高產(chǎn)電性能。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述質(zhì)子交換膜為陽離子交換膜，由此，陽極產(chǎn)生的質(zhì)子可以通過陽離子交換膜到達陰極，維持陰陽極的PH平衡。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述產(chǎn)電微生物來源于正常產(chǎn)電的微生物燃料電池陽極液出水。由此，微生物的活性好，從而，微生物燃料電池的產(chǎn)電性能好。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述微生物燃料電池為雙室型微生物燃料電池。由此，產(chǎn)電生物附著于陽極之上，降解污水中的有機物，電子通過外電路到達陰極，還原鐵氰化鉀，產(chǎn)生電能。