本發(fā)明屬于電池及其應用領域,具體涉及一種炭化蠶繭材料用作微生物燃料電池陽極電極材料的用途。
背景技術:
微生物燃料電池,是一種以電活性微生物為催化劑,通過微生物分解有機物將廢水中生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型燃料電池系統(tǒng)。該種電池具有清潔環(huán)保等優(yōu)點,在實際污水處理與污水發(fā)電中具有很大的應用前景。但是相比于其他燃料電池以及其他污水處理方法,微生物燃料電池的產(chǎn)電性能較低,制備成本較高,難以投入實際應用。其中就陽極材料一方面受限于其與電活性微生物的生物相容性以及電子傳遞動力學表現(xiàn),其產(chǎn)電性能較低,另一方面則由于陽極材料的成本居高不下。因此,尋求高生物相容性且成本低廉的陽極是目前研究的一個重要方向。
常規(guī)的陽極材料主要分為碳基材料跟金屬基材料。其中,金屬基材料具有優(yōu)越的導電性能和更加優(yōu)異的機械強度,但是容易受到腐蝕影響。碳基材料具有相對較好的生物相容性,研究者們對碳基陽極材料做了大量工作。通過材料復合,表面修飾改性等方法,提高了碳基材料在微生物燃料電池陽極上的應用。但是,這些方法大多處理成本較高,工藝步驟較為復雜,過程控制要求較高,極大提高了電極的制作成本。因此開發(fā)一種高效,低成本的陽極,對微生物燃料電池的制作以及產(chǎn)業(yè)化應用的擴展具有重大意義。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種碳化蠶繭材料用作微生物燃料電池陽極的用途。該用途能夠提高微生物燃料電池的生物相容性,從而提升電池產(chǎn)電性能,同時降低生產(chǎn)成本。
一種炭化蠶繭材料用作微生物燃料電池陽極的用途,所述的炭化蠶繭材料是有蠶繭在無氧條件下高溫炭化獲得的。
所述的無氧條件通過惰性氣體氣氛獲得,煅燒溫度在400-900℃,煅燒時間在2-6小時。
所述的炭化蠶繭的制備方法具體如下:
(1)將完整蠶繭至于沸騰的碳酸鹽溶液中進行脫膠處理15-20min,碳酸鹽溶液濃度為0.5-2g/l,待脫膠處理完全后,用去離子水反復清洗脫膠蠶繭多次,直至溶液ph值顯示為中性。
(2)將未經(jīng)任何處理的蠶繭或步驟(1)脫膠處理的完整蠶繭置于管式爐中,惰性氣氛下以2-4℃/min,勻速升溫至400-900℃,恒溫2-6小時,待管式爐溫度自行冷卻到50℃以下后取 出,得到碳化蠶繭和炭化脫膠蠶繭;
(3)以金屬絲傳統(tǒng)固定炭化蠶繭和炭化脫膠蠶繭,用作微生物燃料電池陽極。
本發(fā)明的優(yōu)點在于電池陽極具有較好的生物相容性和動力學表現(xiàn),能夠顯著的提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能,同時由于其制備方法簡單,降低了微生物燃料電池的成本,易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例1-4的微生物燃料電池構型。
圖2為本發(fā)明實施例1-3的輸出功率與電流強度曲線圖。
圖3為本發(fā)明實施例4的輸出功率與電流強度曲線圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述,但本發(fā)明的實施方式不限于此,對于未特別注明的工藝參數(shù),可參照常規(guī)技術進行。
實施例1:
(1)陽極制備:將蠶繭直接放入帶有瓷舟的石英爐管中,在氮氣氣氛下以2℃/min勻速升溫至900℃,恒溫2小時,待管式爐溫度自行冷卻到室溫后取出,得到碳化后蠶繭。用分析天平稱量碳化蠶繭質(zhì)量為0.08g,并用鈦絲穿過炭化蠶繭用作微生物燃料電池陽極。
(2)電池組裝:本實施例中采用單室微生物燃料電池構型,如圖1所示,1為陽極,2為陰極,3,4,5為有機玻璃部件,通過6中的螺栓連接固定形成單室微生物燃料電池構型,7為電化學工作站或用電裝置。本實施例中,陽極腔室容積28ml,炭化蠶繭置于陽極腔室,陰極采用負載鉑催化劑的碳布材料,以1g/l的醋酸鈉溶液(50mm磷酸緩沖液)為陽極底物溶液。陰極制備方法如下:1)將30%疏水的碳布在無水乙醇溶液中超聲30min后用去離子水洗凈;2)用烘箱烘干以后,在碳布一側噴涂20%聚四氟乙烯乳液用作氣體擴散層(5mg/cm-2),并在馬弗爐內(nèi)350-370℃固化30min;3)取出后在碳布另一側噴涂上pt/c催化劑(0.8mg/cm-2),以相同方式在馬弗爐內(nèi)固化。電池組裝完成后以市政污水中活性污泥作為接種源,加入陽極底物溶液,在外電路中接上1000ω的電阻,電壓穩(wěn)步上升至穩(wěn)定,電池啟動成功。
(3)電池產(chǎn)電性能測量:微生物燃料電池啟動成功后,以陰極為工作電極,陽極為參比電極和對電極,利用電化學工作站通過線性掃描法(掃速0.1mvs-1)測定電池的線性掃描伏安圖并計算得到功率-電流曲線(見圖1),掃描范圍為開路電壓至0.05v。如圖1所示電池的最大輸出功率達到457μw,與作為對比的未經(jīng)修飾的親水碳布(0.18g)作陽極的微生物燃料電池(387μw)相比,其的最大的輸出功率提升18%(見圖2)。
實施例2
本實施方式與實施例1不同的是陽極電極的質(zhì)量為0.18g。其他條件均與具體實施例1相同,此時電池最大的輸出功率達到558μw(見圖2)。
實施例3
本實施方式與實施例1不同的是陽極電極的質(zhì)量為0.30g。其他條件均與具體實施例1相同,此時電池最大的輸出功率達到614μw(見圖2)。
實施例4
該實施例中陽極采用炭化脫膠蠶繭,微生物燃料電池其他部件和組裝方法與實施例1中相同。炭化脫膠蠶繭制作方法為:將蠶繭稱重2-4g投入至溶液濃度為0.5g/l的無水碳酸鈉溶液中沸煮處理,并用玻璃棒不斷攪拌,30min后,將脫膠蠶繭取出并用去離子水反復清洗直至清洗液ph值顯示為中性;(2)將脫膠蠶繭放置于烘箱內(nèi)50℃干燥處理4-5h;(3)將干燥后的脫膠蠶繭放入帶有瓷舟的石英爐管中,在氬氣氣氛下以4℃/min,勻速升溫至350℃,恒溫9小時,待管式爐溫度自行冷卻到室溫后取出,得到柔韌度較好的碳化脫膠蠶繭。用分析天平稱量碳化脫膠蠶繭質(zhì)量為0.78g,并用鈦絲纏繞炭化脫膠蠶繭用作微生物燃料電池陽極。本實施例中電池的最大輸出功率達到579μw(見圖3)。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方案,但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制,其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。