一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂及制备方法技术

本发明专利技术属于微生物燃料电池的技术领域，提供了一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂及制备方法。该方法采用电化学方法合成聚苯胺，然后以聚苯胺为电极进行挂膜培养微生物，并加入含铁离子的分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物的表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂，制得夹层状复合光催化剂。与传统方法相比，本发明专利技术的制备的微生物阳极生物膜电导率高，电池放电性能好，同时聚合物的包覆可以保护微生物的活性，有效提高电池的工作寿命，整体发电性能好，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂及制备方法
本专利技术属于微生物燃料电池的
，提供了一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂及制备方法。
技术介绍
能源是人类赖以生存和发展的重要资源，随着全球经济的蓬勃发展，能源供需之间存在的矛盾也日趋明显。充足而稳定的能源是推动经济发展的关键因素。然而，现有的能源利用方式存在如下缺点：效率不高，不可再生，环境污染严重等。所以，发展清洁能源一直为世人所关注，此方面，生物质燃料电池无疑是很值得重视的一种清洁能源，正因其独特的价值而逐渐成为催生新能源的生长点。微生物燃料电池是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。利用微生物燃料电池不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。作为一种新兴的高效的生物质能利用方式，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点，因此已逐渐成为现今社会的研究热点之一。微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，通过降解有机物，产生电子和质子。产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极产生外电流。产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥)，也可以直接通过电解液到达阴极。在阴极与电子、氧化物发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。但是微生物燃料电池整体发电性能较差，其主要原因为微生物催化速率较低和阳极生物膜的影响，研究发现导电聚合物由于其优良的生物相容性和导电性，用于修饰微生物有望在提高细胞导电性的同时保持其活性。因此对于微生物与导电聚合物复合的研究具有十分重要的意义。目前国内外在微生物燃料电池，尤其是微生物燃料电池阳极材料方面已取得了一定成效。其中全向春等人专利技术了一种利用自组装肽纳米管包埋核黄素进行微生物燃料电池阳极修饰的方法（中国专利技术专利申请号201510742327.0），主要步骤包括：首先用丙酮对碳基电极材料预处理以去除表面有机物，然后在碳基电极表面涂上聚乙烯亚胺电解质涂层，使电极表面载荷上正电荷，然后在该电极表面滴加苯丙氨酸二肽与电子介体核黄素的混合液，苯丙氨酸二肽在自组装形成肽纳米管过程中将核黄素包埋在其纳米结构中，从而形成了三维结构复合电极，肽纳米管增加了电极的导电性，而核黄素增强了胞外电子传递。肽纳米管包埋的核黄素具有持久的缓释效应，这种方式修饰的阳极降低了微生物燃料电池反应器内阻，提高了产电性能。另外，陈野等人专利技术了一种具有三维开放结构的微生物燃料电池阳极材料及制备方法（中国专利技术专利申请号201410557788.6），主要由由纳米碳、海绵、活性炭和金属集流体构成的多层结构，此专利技术的制备方法主要包括海绵基体的预处理，采用浸渍-干燥的方法制备3D纳米碳与海绵导电材料和将3D碳材料导电基体固定到涂覆活性炭的金属集流体上制成3D多层阳极材料等步骤，此专利技术的电极材料不仅有利于传质和生物大量附着，而且制作过程简单，成本低，以该材料为阳极构建的MFC的阳极产电性能大大提高、极化现象明显降低，具有很大的应用前景。可见，现有技术中的微生物电池中的微生物催化速率较低，传统微生物电池阳极与微生物之间电子传递过程中形成的生物膜由于与电极材料结合较差导致界面电阻较大，电导率较低，从而影响电子传输效率，导致微生物燃料电池存在整体发电性能较差的缺点。
技术实现思路
针对这种情况，我们提出一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂及制备方法，主要是使用石墨电极作为工作电极，Pt电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，在室温条件下通过电化学方法合成聚苯胺，之后以聚合物作为电极进行表面挂膜培养微生物，最后通过加入助剂后除杂使聚合物均匀包覆于微生物表层。该方法可解决传统微生物膜电导率低，电池放电性能差的缺点，同时可以保护微生物的活性，提高电池的工作寿命。为实现上述目的，本专利技术涉及的具体技术方案如下：一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂的制备方法，采用电化学方法合成聚苯胺，然后以聚苯胺为电极进行挂膜培养微生物，并加入含铁离子的分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物的表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂，制得夹层状复合光催化剂，制备的具体步骤如下：（1）使用石墨电极作为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，在室温下对电解液进行电循环扫描，通过电化学方法使苯胺聚合，然后进行洗涤、干燥，制得聚苯胺；（2）以步骤（1）制得的聚苯胺为电极，以pH为4.5~6的培养液为进水，通过表面挂膜培养微生物；（3）向步骤（2）的体系中加入分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂。优选的，步骤（1）所述电解液中，苯胺的摩尔浓度为0.2~0.3mol/L，硝酸的摩尔浓度为0.4~0.6mol/L。优选的，步骤（1）所述扫描速度为15~25mV/s，扫描方式为先在-0.2~1.2V扫描2~3个循环，再在-0.2~0.8V扫描22~28个循环。优选的，步骤（1）所述洗涤方式为，先采用稀硝酸洗涤，再采用蒸馏水洗涤。优选的，步骤（1）所述干燥采用真空烘箱，温度为60~80℃。优选的，步骤（2）所述聚苯胺可采用其他高导电性聚合物替代。优选的，所述其他高导电性聚合物为聚吡咯、聚噻吩中的至少一种。优选的，步骤（2）所述培养液的进水流量的设计值为0.2~0.3L/min，开始挂膜时的进水流量为设计值的20~40%，膜初形成时的进水流量为设计值的60~80%。优选的，步骤（3）所述分散剂为氯化铁、氟化铁、溴化铁、硫酸铁、硝酸铁中的至少一种。本专利技术还提供一种上述制备方法制备得到的燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂。该方法采用电化学方法合成聚苯胺，然后以聚苯胺为电极进行挂膜培养微生物，并加入含铁离子的分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物的表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂，制得夹层状复合光催化剂。与传统方法相比，本专利技术制备的微生物阳极生物膜电导率高，电池放电性能好，同时聚合物的包覆可以保护微生物的活性，有效提高电池的工作寿命，整体发电性能好，应用前景广阔。将本专利技术制备燃料电池阳极与普通微生物燃料电池阳极的电导率及活性生物量进行对比，如表1所示，可见，本专利技术制备的微生物燃料电池阳极的电导率高，生物活性强，使用寿命长。表1：本专利技术提供了一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1.本专利技术制备的燃料电池用导电有机相包覆微生物的催化剂，整体发电性能好，应用前景广阔。2.本专利技术的制备中通过在微生物表层形成导电有机聚合物网络，使微生物产生的电子通过聚合物快速传递至阳极，提高微生物与阳极材料之间的电子传导能力，从而提高电池的放电效率。3.本专利技术的制备聚合物的包覆可以保护微生物的活性，降低反应过程中所产生的有害物质对微生物的侵蚀，有效提高电池的工作寿命。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但不应将此理解为本专利技术的范围仅限于以下的实例。在不脱离本专利技术上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本专利技术的范围内。实施例1使用石墨电极作为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，在室温下对电解液进行电循环扫描，扫描速度为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂的制备方法，其特征在于，采用电化学方法合成聚苯胺，然后以聚苯胺为电极进行挂膜培养微生物，并加入含铁离子的分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物的表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂，制备的具体步骤如下：（1）使用石墨电极作为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，在室温下对电解液进行电循环扫描，通过电化学方法使苯胺聚合，然后进行洗涤、干燥，制得聚苯胺；（2）以步骤（1）制得的聚苯胺为电极，以pH为4.5~6的培养液为进水，通过表面挂膜培养微生物；（3）向步骤（2）的体系中加入分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂的制备方法，其特征在于，采用电化学方法合成聚苯胺，然后以聚苯胺为电极进行挂膜培养微生物，并加入含铁离子的分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物的表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂，制备的具体步骤如下：（1）使用石墨电极作为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，在室温下对电解液进行电循环扫描，通过电化学方法使苯胺聚合，然后进行洗涤、干燥，制得聚苯胺；（2）以步骤（1）制得的聚苯胺为电极，以pH为4.5~6的培养液为进水，通过表面挂膜培养微生物；（3）向步骤（2）的体系中加入分散剂，然后除杂，使聚苯胺均匀包覆于微生物表层，制得燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂。2.根据权利要求1所述一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述电解液中，苯胺的摩尔浓度为0.2~0.3mol/L，硝酸的摩尔浓度为0.4~0.6mol/L。3.根据权利要求1所述一种燃料电池用有机相包覆微生物的催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述扫描速度为15~25mV/s，扫描方式为先在-0.2~1.2V扫描2~3个循环，再在-0.2~0.8V扫描22~28个...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51