一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法与微生物燃料电池反应器技术

本发明专利技术公开了一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法与微生物燃料电池反应器。该制备方法包括如下步骤：（1）石墨的预氧化；（2）氧化石墨烯的制备；（3）阴极复合材料的制备。本发明专利技术制备方法原料与铂等贵金属电极催化材料相比，二氧化钛和石墨价格低廉，来源广泛。本发明专利技术一种基于制备的阴极复合材料的微生物燃料电池反应器，为单室微生物燃料电池，包括取样加样口（1）、银/氯化银参比电极（2）、数据采集器（3）、外电阻（4）、质子交换膜（5）、阴极电极、阳极室（8）和阳极电极（9）。该微生物燃料电池反应器的启动时间明显缩短，且产电量增加，构造成本，运行稳定有效，输出功率高。

Method for preparing microbial fuel cell cathode composite material and microbial fuel cell reactor

The invention discloses a method for preparing a microbial fuel cell cathode composite material and a microbial fuel cell reactor. The preparation method comprises the following steps: (1) pre oxidation of graphite; (2) preparation of graphene oxide; (3) preparation of cathode composite material. The preparation method of the invention has the advantages of low price and wide source of titanium dioxide and graphite compared with platinum and other noble metal electrode catalytic materials. The invention relates to a microbial fuel cell cathode composite material based on single chamber microbial fuel cell, including sampling and sample port (1), Ag / AgCl reference electrode (2), a data collector (3), resistance (4), proton exchange membrane (5), the cathode electrode and the anode chamber (8) and an anode electrode (9). The start-up time of the microbial fuel cell reactor is obviously shortened, and the production capacity is increased, and the construction cost is stable and effective, and the output power is high.

【技术实现步骤摘要】
一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法与微生物燃料电池反应器
本专利技术涉及微生物电解池领域，具体涉及微生物燃料电池阴极材料的制备方法。
技术介绍
微生物燃料电池（Microbialfuelcell）是最近几年新兴的研究科学，是一种利用微生物将有机物中的化学能转化为电能的新型装置。微生物燃料电池不仅可以将水体中的有机物和污泥进行降解，还能将降解有机物过程中产生的电子经过阳极、外电路、电路负载，最终由阴极接受电子，产生电能。作为一种新兴的能量转化装置，与传统燃料电池相比，微生物燃料电池不仅降解了有机物，而且获得了电能；具有操作条件温和、清洁高效、燃料来源广泛、可循环再利用等优点，是一种极具应用前景的新兴技术，从而受到人们的持续关注。当前，微生物燃料电池仍然有很低的输出功率。这主要是因为微生物对底物的氧化速率慢、电子传递速率小、阴极活化电位低、电池内阻大等原因造成的。为了增强微生物燃料电池的输出功率，已经做了大量的研究，尤其是在电极材料方面的研究做了很大的努力，尤其是阴极材料的材质和结构可以直接影响电子接受率进而影响产电功率。阴极电极材料对微生物燃料电池系统的影响主要体现在：（1）材质和结构，不仅影响电极的导电性能，并影响阴极接受电子的速率从而直接影响输出功率；（2）阴极的电阻值也是影响电池输出功率的一个重要因素，因此在选择微生物电池阴极材料时，高导电率仍然是需要考虑的问题；（3）阴极的材质是决定阴极电位的重要因素，一般碳材料疏松多孔，具有高的导电性，适用于作阴极的材料。通常采用的碳材料包括石墨、碳布或碳纸等材料，但直接使用，效果不佳。为提高阴极材料的性能，可适当采用高活性的催化剂对阴极材料进行修饰以降低阴极的反应活化电势，从而进一步加快反应速率。碳复合纳米材料由于具有很大的比表面积、特定的孔隙结构、很高的热稳定性、极强的机械强度和韧性和极强的导电性，成为电极材料的最佳选择，是制备新型纳米和高复合材料的理想材料，在能量的储存和转化等研究领域备受推崇。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法。该方法利用二氧化钛和氧化石墨烯制备微生物燃料电池阴极复合材料，以代替贵金属等修饰的阴极材料，制得的阴极复合材料应用于微生物燃料电池中，降低了微生物燃料电池的造价，提高了微生物燃料电池的产电功率和在实际中应用的可行性。本专利技术目的还在于提供一种基于上述制得的阴极复合材料的微生物燃料电池反应器。本专利技术目的通过如下技术方案实现。一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）采用浓硫酸和过硫酸钾的混合溶液将石墨粉溶解后，水浴加热条件下搅拌，进行预氧化，得到预氧化石墨；（2）将预氧化石墨采用浓硫酸和硝酸钠的混合溶液溶解以保持氧化环境，加入高锰酸钾，搅拌形成浓浆；再加入去离子水，水浴加热搅拌；（3）水浴加热结束后，加入去离子水稀释后，缓慢加入双氧水进行氧化至混合液出现气泡并变为黄色，用盐酸和去离子水依次清洗，干燥，得到氧化石墨烯；（4）将氧化石墨烯在去离子水中超声处理后，用氟钛酸铵和硼酸的混合溶液溶解，搅拌均匀后进行水浴加热，得到的混合产物过滤膜、洗涤、真空干燥，加热钙化，得到所述微生物燃料电池阴极复合材料。进一步地，步骤（1）中，所述石墨粉为无定型碳。进一步地，步骤（1）中，所述浓硫酸与过硫酸钾的混合溶液按照浓硫酸与过硫酸钾液料比4.5~6:1ml/g混合得到。进一步地，步骤（1）中，所述浓硫酸与过硫酸钾的混合溶液与石墨粉的液料比为8~10:1ml/g。进一步地，步骤（1）中，所述水浴加热的温度为80℃，时间为6h。进一步地，步骤（2）中，所述浓硫酸与硝酸钠的混合溶液按照浓硫酸与硝酸钠液料比为46:1ml/g混合得到。进一步地，步骤（2）中，所述高锰酸钾与预氧化石墨的质量比为6:1。进一步地，步骤（2）中，所述高锰酸钾分10次加入，每次加入的时间间隔为5min。进一步地，步骤（2）中，所述浓浆是在30~40℃水浴条件下搅拌50~70min得到。进一步地，步骤（2）中，所述加入去离子水的量与高锰酸钾的量的比为40:3ml/g。进一步地，步骤（2）中，所述水浴加热的温度为85~95℃，时间为30~40min。进一步地，步骤（3）中，所述双氧水的浓度为30wt%。进一步地，步骤（3）中，所述双氧水的加入量与加入的去离子水的体积比为3:100。进一步地，步骤（3）中，所述盐酸的浓度为5wt%。进一步地，步骤（3）中，所述清洗是用盐酸离心洗涤3次，再用去离子水离心洗涤4~7次。进一步地，步骤（3）中，所述干燥是在60℃下干燥36~40h。进一步地，步骤（4）中，所述超声处理的时间为30~40min。进一步地，步骤（4）中，所述氟钛酸铵与硼酸的混合溶液是按氟钛酸铵与硼酸体积比1:1进行混合得到，所述氟钛酸铵的浓度为0.1mol/L，所述硼酸的浓度为0.3mol/L。进一步地，步骤（4）中，所述氟钛酸铵与硼酸的混合溶液与石墨烯的液料比为8~10:1ml/g。进一步地，步骤（4）中，所述搅拌的时间为10~20min。进一步地，步骤（4）中，所述水浴加热是在60℃下水浴封闭加热2h。进一步地，步骤（4）中，所述过滤膜是过0.45μm的滤膜。进一步地，步骤（4）中，所述干燥是在50~70℃干燥14~18h。进一步地，步骤（4）中，所述加热钙化是在200℃下加热1h。一种基于上述任一项所述制备方法制得的微生物燃料电池阴极复合材料的微生物燃料电池反应器，为单室微生物燃料电池，包括取样加样口、银/氯化银参比电极、数据采集器、外电阻、质子交换膜、阴极电极、阳极室和阳极电极；所述阴极电极嵌在阳极室一侧的室壁上，且有一面与空气直接接触，另一面与质子交换膜直接接触；所述质子交换膜在阳极室内，且有一面与嵌在阳极室壁上的阴极电极直接接触，另一面与阳极室内的阳极液接触；所述阳极电极在阳极室内靠近阴极电极的1/3处；所述取样加样口在阳极室的顶部；所述银/氯化银参比电极插入阳极室内，并通过导线与外电路连接；所述阴极电极和阳极电极通过导线与外电阻串联；所述数据采集器与外电阻并联；所述阴极电极为空气电极，以空气中的氧气为最终电子受体；所述阴极电极由制备的阴极复合材料与乙炔黑混合后负载在碳布上得到；所述阴极电极由与空气接触的一面至与质子交换膜接触的一面，依次包括扩散层、碳基层、碳布和催化层。进一步地，所述扩散层的厚度为0.08~0.12mm。进一步地，所述催化层（6）的厚度为0.04~0.06mm。进一步地，所述阳极室内的阳极液为乙酸钠的50mmol/L的磷酸盐缓冲溶液，初始pH值为6.8~7.1。进一步地，所述阳极液再加入前要通氮气处理，以保持阳极液厌氧状态。进一步地，所述阳极电极的材料为碳毡。进一步地，所述阳极电极和阴极电极的电极总面积与阳极室的体积比为1:8.7cm2/cm3。进一步地，所述质子交换膜在使用前，分别在浓度为20wt%的双氧水、去离子水、0.5mol/L的硫酸和去离子水中进行1h的煮沸处理。进一步地，所述阴极电极的制备过程包括如下步骤：（1）将乙炔黑加入到40wt%的聚四氟乙烯溶液中，旋涡20s后，将混合溶液均匀涂抹在碳布上，风干后在370℃高温陶瓷板上加热25min，在碳布上制得碳基层；（2）将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）采用浓硫酸和过硫酸钾的混合溶液将石墨粉溶解后，水浴加热条件下搅拌，进行预氧化，得到预氧化石墨；（2）将预氧化石墨采用浓硫酸和硝酸钠的混合溶液溶解以保持氧化环境，加入高锰酸钾，搅拌形成浓浆；再加入去离子水，水浴加热搅拌；（3）水浴加热结束后，加入去离子水稀释后，缓慢加入双氧水进行氧化至混合液出现气泡并变为黄色，用盐酸和去离子水依次清洗，干燥，得到氧化石墨烯；（4）将氧化石墨烯在去离子水中超声处理后，用氟钛酸铵和硼酸的混合溶液溶解，搅拌均匀后进行水浴加热，得到的混合产物过滤膜、洗涤、真空干燥，加热钙化，得到所述微生物燃料电池阴极复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）采用浓硫酸和过硫酸钾的混合溶液将石墨粉溶解后，水浴加热条件下搅拌，进行预氧化，得到预氧化石墨；（2）将预氧化石墨采用浓硫酸和硝酸钠的混合溶液溶解以保持氧化环境，加入高锰酸钾，搅拌形成浓浆；再加入去离子水，水浴加热搅拌；（3）水浴加热结束后，加入去离子水稀释后，缓慢加入双氧水进行氧化至混合液出现气泡并变为黄色，用盐酸和去离子水依次清洗，干燥，得到氧化石墨烯；（4）将氧化石墨烯在去离子水中超声处理后，用氟钛酸铵和硼酸的混合溶液溶解，搅拌均匀后进行水浴加热，得到的混合产物过滤膜、洗涤、真空干燥，加热钙化，得到所述微生物燃料电池阴极复合材料。2.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述石墨粉为无定型碳；所述浓硫酸与过硫酸钾的混合溶液按照浓硫酸与过硫酸钾液料比4.5~6:1ml/g混合得到；所述浓硫酸与过硫酸钾的混合溶液与石墨粉的液料比为8~10:1ml/g；所述水浴加热的温度为80℃，时间为6h。3.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述浓硫酸与硝酸钠的混合溶液按照浓硫酸与硝酸钠液料比为46:1ml/g混合得到；所述高锰酸钾与预氧化石墨的质量比为6:1；所述高锰酸钾分10次加入，每次加入的时间间隔为5min；所述浓浆是在30~40℃水浴条件下搅拌50~70min得到；所述加入去离子水的量与高锰酸钾的量的比为40:3ml/g；所述水浴加热的温度为85~95℃，时间为30~40min。4.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述双氧水的浓度为30wt%；所述双氧水的加入量与加入的去离子水的体积比为3:100；所述盐酸的浓度为5wt%；所述清洗是用盐酸离心洗涤3次，再用去离子水离心洗涤4~7次；所述干燥是在60℃下干燥36~40h。5.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述超声处理的时间为30~40min；所述氟钛酸铵与硼酸的混合溶液是按氟钛酸铵与硼酸体积比1:1进行混合得到，所述氟钛酸铵的浓度为0.1mol/L，所述硼酸的浓度为0.3mol/L；所述氟钛酸铵与硼酸的混合溶液与石墨烯的液料比为8~10:1ml/g；所述搅拌的时间为10~20min；所述水浴加热是在60℃下水浴封闭加热2h；所述过滤膜是过0.45μm的滤膜；所述干燥是在50~70℃下干燥14~18h；所述加热钙化是在200℃下加热1h。6.一种基于权利要求1~5任一项所述制备方法制得的微生物燃料电池阴极复合材料的微生物燃料电池反应器，其特征在于，为单室微生物燃料电池，包括取样...

【专利技术属性】
技术研发人员：周少奇，李猛，
申请(专利权)人：华南理工大学，贵州科学院，
类型：发明
国别省市：广东,44