一種具光催化協(xié)同效應(yīng)微生物燃料電池電極及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微生物燃料電池技術(shù)和光催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具光催化協(xié)同效應(yīng)微生物燃料電池電極及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前環(huán)境問題和能源問題嚴重影響人們的生活和經(jīng)濟發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴重，能源短缺也成為亟待解決的問題。微生物燃料電池(MFC)作為一種廢水處理同時又能產(chǎn)電的技術(shù)，受到眾多研究者的青睞。MFC反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)過程中無需提供其他能量，且無污染物生成，是一種具有可持續(xù)發(fā)展意義的水處理技術(shù)。
[0003]微生物燃料電池是在缺氧的條件下，利用微生物將有機物的電子傳遞到陽極，然后通過轉(zhuǎn)移到陰極實現(xiàn)發(fā)電。然而微生物對有機物的降解具有選擇性，對有機小分子具有較好的降解效率，對一些難生化的有機物大分子則存在降解效率低或者難以降解等問題。因此，微生物對廢水中有機物的利用范圍有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]解決的技術(shù)問題:為解決現(xiàn)有微生物燃料電池對廢水中有機物的利用范圍有限等問題，本發(fā)明提供了一種具光催化協(xié)同效應(yīng)微生物燃料電池電極及其制備方法和應(yīng)用。
[0005]技術(shù)方案:一種具光催化協(xié)同效應(yīng)微生物燃料電池電極，包括碳布支撐體、電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉層以及改性光催化材料，所述電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉層附著于碳布支撐體的外表面，改性光催化材料附著于電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉層表面；所述改性光催化材料具有可見光響應(yīng)。
[0006]上述具還原性物質(zhì)為鐵粉、鋁粉中的至少一種，電氣石和具還原性物質(zhì)的質(zhì)量比例保持在0.4-1.2之間，比例過低則電氣石促進光催化的效應(yīng)減少，比例過高則不利于保證微生物活性。
[0007]上述電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉層通過靜電噴涂法附著于碳布支撐體的外表面，控制靜電電壓60-90kv、-靜電電流10-2(^六，負載量為0.8￥七％-16 wt.%，粉層厚度在
0.5 μ m-?ο μ mo負載量在此范圍內(nèi)對Ti02光催化作用促進效果最佳。
[0008]上述改性光催化材料為摻雜型Ti02光催化材料，或者半導(dǎo)體復(fù)合光催化材料。
[0009]改性光催化材料附著于電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉層表面的具體方法為:用溶膠凝膠法制備元素摻雜的鈦溶膠，將鈦溶膠滴在以lr/s-5r/s速率旋轉(zhuǎn)的含電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉層的碳布支撐體的外表面，烘干后重復(fù)上述步驟滴加，然后在保護氣氛中于400-600°C焙燒得到具光催化效應(yīng)的電極；通過控制碳布的旋轉(zhuǎn)速率和鈦溶膠滴加速度來控制改性光催化材料的負載量，改性光催化材料的負載量為lwt.%-10 wt.%。
[0010]鈦溶膠的具體制備方法為:取4_8mL鈦酸異丙酯、異丙醇鈦、鈦酸四丁酯、四氯化鈦中的一種為鈦源，在磁力攪拌器作用下，逐滴加入6-14mL無水乙醇中得溶液A;取6-14mL無水乙醇，逐次加入0.8-2.0mL去離子水和1.0-2.6mL冰醋酸、檸檬酸、甲酸中的一種，再添加與鈦源摩爾比均為0.008-0.012的硝酸鉍和尿素，在磁力攪拌器的作用下，混合均勻得溶液B ;在磁力攪拌器作用下，以0.5-2滴/s的速率把溶液B逐滴滴加到溶液A中，滴加完畢后繼續(xù)攪拌20-60min得鈦溶膠。
[0011]改性光催化材料由以下方法制得:1)負載摻雜型Ti02光催化材料:使用三靶共濺的濺射儀器，三個濺射靶分別為純打02靶、非金屬摻雜T1 2靶、金屬摻雜T1 2勒，以含電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉的碳布支撐體為基材，濺射的同時以lcm/s-5cm/s的速率移動基材，通過濺射儀器的濺射頻率可以改變Ti02中摻雜元素的含量，制備改性光催化材料；2)負載半導(dǎo)體復(fù)合光催化材料:使用二靶共濺的濺射儀器，兩個濺射靶分別為P型半導(dǎo)體材料和η型半導(dǎo)體材料，以含電氣石和具還原性物質(zhì)混合粉的碳布支撐體為基材，濺射的同時以lcm/s-5cm/s的速率移動基材，通過控制濺射儀器的濺射角度和濺射頻率來改變不同類型半導(dǎo)體比例，制備改性光催化材料。
[0012]優(yōu)選的，一種具光催化協(xié)同效應(yīng)微生物燃料電池電極的制備方法，(1)取0.25g8000目電氣石粉、0.06g 8000目鐵粉和0.06g環(huán)氧樹脂粉末混合，采用靜電噴涂的方法將混合粉末噴涂到直徑為5cm的圓形碳布上；(2)將噴涂后的碳布至于200°C的電阻爐中l(wèi)h，即得混合粉負載的碳布；(3)以異丙醇鈦為鈦源，取5mL異丙醇鈦，在磁力攪拌器作用下，逐滴加入到10mL無水乙醇中得溶液A ; (4)取10mL無水乙醇，逐次加入1.5mL去離子水和
1.8mL冰醋酸，再添加與異丙醇鈦摩爾比均為0.01的硝酸鉍和尿素，在磁力攪拌器的作用下，混合均勻得溶液B ; (5)在磁力攪拌器的作用下，將溶液B按0.5-2滴/s的速率滴加到溶液A中，滴加完畢后繼續(xù)攪拌50min，然后在溫度為25°C的恒溫箱中靜置6h得鈦溶膠；
(6)以1.5滴/s的速率把步驟(5)中的鈦溶膠滴加到步驟(2)中以2r/s速率旋轉(zhuǎn)的碳布上，待碳布表面均勻鋪滿一層鈦溶膠后將碳布放入60°C的烘箱中l(wèi)Omin ;(7)重復(fù)步驟(6)一次，在N2保護下，將碳布放入管式爐中490°C焙燒3h，既得具光催化效應(yīng)的碳布電極。
[0013]所述具光催化協(xié)同效應(yīng)微生物燃料電池電極的應(yīng)用，將具光催化作用的碳布電極固定于反應(yīng)器中，取體積比1:1的厭氧污泥和生活廢水混合均勻投加入反應(yīng)器中，在恒溫箱內(nèi)于31°c下掛膜，既得掛膜后的復(fù)合陽極；用太陽光、日光燈光、節(jié)能燈光、紫外燈光中的至少一種，光源距離復(fù)合陽極的距離在50cm以內(nèi)，污染物的濃度控制C0D在5000mg/L以下。
[0014]有益效果:(1)微生物與電極中光催化劑在降解廢水的過程中具有耦合作用，電極表面的光催化材料在可見光或者太陽光的照射下把廢水中難生化有機物分解為易生化有機物小分子，有機物小分子穿過碳布到達內(nèi)側(cè)生長的微生物表面后徹底降解。提高了微生物燃料電池的產(chǎn)電效率，拓寬了底物利用范圍。
[0015](2)改性后的光催化劑具有可見光響應(yīng)，大大減少了光催化劑使用條件的限制。
[0016](3)電氣石具有熱電性和壓電性，能夠產(chǎn)生永久性微弱電流，在該電流的作用下，光催化材料表面生成的空穴-電子對的壽命得以延長，提高了光催化效率。另外，電氣石和還原性物質(zhì)混合粉可以有效緩解光催化產(chǎn)生的空穴-電子和氧化性離子向生物膜的轉(zhuǎn)移，以保證了微生物活性。
[0017]
【附圖說明】
[0018]圖1為微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明具光催化協(xié)同效應(yīng)微生物燃料電池電極的結(jié)構(gòu)示意圖，從左到右依次為微生物層、碳布、電氣石粉和還原粉混合層、光催化層。
【具體實施方式】
[0019]以下對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明，應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0020]實施例1
(1)取0.25g電氣石粉(8000目)、0.06g鐵粉(8000目)和0.06g環(huán)氧樹脂粉末混合，采用靜電噴涂的方法將混合粉末噴涂到直徑為5cm的圓形碳布上。
[0021](2)將噴涂后的碳布至于200°C的電阻爐中l(wèi)h，即得混合粉負載的碳布。
[0022](3)以鈦酸異丙酯為鈦源，取5mL鈦酸異丙酯，在磁力攪拌器作用下，逐滴加入到8mL無水乙醇中得溶液A。
[0023](4)取8mL無水乙醇，逐次加入1.5mL去離子水和1.8mL冰醋酸，再添加與鈦酸異丙酯摩爾比均為0.01的硝酸鉍和尿素，在磁力攪拌器的作用下，混合均勻得溶液B。
[0024](5 )在磁力攪拌器的作用下，將溶液B按0.5滴/s的速率逐滴滴加到溶液A中，滴加完畢后繼續(xù)攪拌50min，然后在溫度為25°C的恒溫箱中靜置6h得鈦溶膠。
[0025](6)以1滴/s的速率把步驟(5)中的鈦溶膠滴加到步驟(2)中以2r/s速率旋轉(zhuǎn)的碳布上，待碳布表面均勻鋪滿一層鈦溶膠后將碳布放入60°C的烘箱中l(wèi)Omin。
[0026](7)重復(fù)步驟(6) —次，在N2保護下，將碳布放入管式爐中450°C焙燒3h，既得具光催化效應(yīng)的碳布電極。
[0027](8)將上述制備的具光催化作用的碳布電極固定于反應(yīng)器中，取60 mL厭氧污泥和60 mL生活廢水混合均勻投加入反應(yīng)器中，在恒溫箱內(nèi)于31°C下掛膜。
[0028]該方法制備的電極1102負載量為12%，在該電極上負載微生物后12h內(nèi)對苯酚的降解率達92.8%，而沒有經(jīng)過處理的碳布負載微生物在相同條件下對苯酚的降解率只有76.3%ο
[0029]
實施例2
(1)取0.25g電氣石粉(8000目)、0.06g鐵粉(8000目)和0.06g環(huán)氧樹脂粉末混合，采用靜電噴涂的方法將混合粉末噴涂到直徑為5cm的圓形碳布上。
[0030](2)將噴涂后的碳布至于200°C的電阻爐中l(wèi)h，即得混合粉負載的碳布。
[0031](3)以異丙醇鈦為鈦源，取5mL異丙醇鈦，在磁力攪拌器作用下，逐滴加入到10mL無水乙醇中得溶液A。
[0032](4)取10mL無水乙醇，逐次加入1.5mL去離子水和1.8mL冰醋酸，再添加與異丙醇鈦摩爾比均為0.01的硝酸鉍和尿素，在磁力攪拌器的作用下，混合