本发明专利技术公开了一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂及其制备方法与应用。所述制备方法包括以下步骤：将聚乙烯醇溶解在去离子水中，搅拌加热使聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；将胶黏剂与去离子水混合，超声，使其混合均匀，然后加入碳基催化剂材料，再超声混合，得到所述均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。本发明专利技术制得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂具有较强的亲水性、良好的生物相容性适于微生物生长寄生，用于制备微生物燃料电池阳极能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，大幅度提高微生物燃料电池的输出功率。
【技术实现步骤摘要】
-种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂 及其制备方法与应用。
技术介绍
微生物燃料电池（MFC)是基于微生物的新陈代谢，将有机质的化学能转化成电 能，可被微生物转化的有机质不局限于现有燃料电池技术中的有机小分子（包括氢），可扩 展到淀粉、纤维素等大分子有机物。因此，微生物燃料电池不仅可以选用生物质作为燃料发 电达到洁净利用生物质能源的目的，还可将废物中的有机质作燃料转化成电能同时达到治 理环境的效果。当今社会面临能源短缺和环境污染的严峻威胁，人们迫切希望微生物燃料 电池能够得到广泛的应用。然而，MFC极低的输出功率一直是制约其发展的一个重要因素。 有多个因素影响微生物燃料电池输出功率，包括：阴阳极电极材料、产电微生物、 有机质、电解质溶液、操作温度等等。这些因素中阳极材料尤其重要，因为阳极材料与微生 物产电机理直接关联。在阳极材料中粘胶剂主要起到支撑、粘附催化剂的作用，将催化剂 牢牢附在集流体上，显然，利用具有特殊组成、结构且有利于微生物产电的胶黏剂，是提高 微生物燃料电池输出功率的重要措施。 研究表明，微生物产电的阳极材料胶黏剂的结构对微生物寄生成膜有显著的影 响，而具有亲水基团的结构由于具有大的亲水性能在其他领域也得到了广泛地研究。但是， 在微生物领域缺少对阳极胶黏剂的研究。因此，制备一种与细菌膜分子有吸引作用力、强亲 水性且具有生物相容性适合微生物生长的MFC阳极胶黏剂显得十分必要。
技术实现思路
为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种均匀碳基材 料/PVA阳极催化剂的制备方法。 本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化 剂。 本专利技术的再一目的在于提供上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂 的应用。 为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案： 一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤： (1)将聚乙烯醇溶解在去离子水中，搅拌加热使聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室 温，得到胶黏剂； (2)将步骤（1)制得的胶黏剂与去离子水混合，超声使其混合均匀得到胶黏剂溶 液，然后加入碳基催化剂材料，再超声混合，得到所述均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。 优选的，步骤（1)所述的聚乙烯醇和去离子水的质量比为0. 3?1。 优选的，步骤（1)所述的聚乙烯醇的平均分子量（聚合度）为17?30万，醇解度 为 80%?100%。 优选的，步骤（1)所述的加热溶解聚乙烯醇的温度为50?75°C，搅拌时间为2? 6h〇 本专利技术所述的室温为20?28°C。 优选的，步骤（2)所述胶黏剂与去离子水混合后得到的胶黏剂溶液中，胶黏剂的 质量浓度为2%?30%。 优选的，步骤（2)所述胶黏剂与去离子水混合后超声时间为30?90min ;所述的 加入碳基催化剂材料后的超声混合时间为45?120min。 优选的，步骤（2)所述碳基催化剂材料为碳纳米管、石墨烯或多孔碳；所述碳基催 化剂材料的加入量为：每lmL胶黏剂溶液加入21?30g碳基催化剂材料。 上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。该均匀碳基材料/PVA阳极 催化剂具有较强的亲水性、良好的生物相容性适于微生物生长寄生，用于制备微生物燃料 电池阳极能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，大幅度提高微生物燃料电池的输出 功率。 上述制备方法获得的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂在制备微生物燃料电池阳极 中的应用。 优选的，所述应用的具体方法为： (a)将碳毡依次用质量分数为1 %的HC1和质量分数为1 %的NaOH溶液各浸泡lh， 然后洗至中性烘干待用； (b)将均匀碳基材料/PVA阳极催化剂超声均匀后粘于步骤（a)处理后的碳毡上， 然后80°C烘干，得到含有多孔碳催化剂的微生物燃料电池阳极。 本专利技术的设计原理是：根据阳极中电子的传递机理，增强细菌与电极表面的接触； 使用亲水性较好的PVA做胶黏剂，在50?75°C中溶解在去离子水中，冷却室温，将炭基材料 加入PVA胶黏剂中，使其与胶黏剂混合均匀，然后将其刷在集流体上作为阳极催化剂。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果： (1)本专利技术所述的胶黏剂的制备方法简单，无需添加有毒溶剂，即可获得均匀的 PVA胶黏剂。该胶黏剂具有大的粘结性，能确保催化剂进泡在阳极液中不脱落，同时给细菌 寄生提供适合场所，同时PVA生物相容性良好，在MFC阳极催化剂中具有很好的应用前景。 (2)本专利技术所述的胶黏剂，具有无毒、无害且优良的生物相容性，有利于细菌的生 长；其良好的亲水性，有利于细菌的吸附。该胶黏剂除了能很好的将阳极催化剂粘附在阳极 集流体上，同时其分子结构对细菌膜分子具有氢键作用力吸引，促进细菌在阳极的寄生与 吸附，能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成并形成稳定生物膜，提高催化剂的催化 效率，大幅度提高微生物燃料电池的输出功率。 (3)本专利技术制备得到的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂与细菌接触的有效比表面 积大、具有较强的亲水性、良好的生物相容性适于微生物生长寄生，用于制备微生物燃料电 池阳极能促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，大幅度提高微生物燃料电池的输出功 率。 【附图说明】 图1为为实施例1制备的胶黏剂的红外图谱。 图2为为实施例1制备的胶黏剂的热重图谱。 图3为为实施例1制备的胶黏剂的XRD图谱。 图4为为实施例1制备的胶黏剂的接触角图谱。 图5为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC极化曲线对比图。 图6为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC功率密度对比图 图7为实施例1、实施例2与实施例3制备的MFC功率密度曲线对比图 图8为实施例1制备的MFC和对比例1制备的MFC在微生物接种7天后阳极表面 形貌图。 【具体实施方式】 下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限 于此。 本专利技术实施例和对比例中所用到的：聚乙烯醇购于阿拉丁试剂厂；碳基材料（多 壁碳纳米管、多孔碳、石墨烯）购于成都有机化学有限公司；碳纸购于广东南广机电设备有 限公司；阳离子交换膜购于浙江千秋环保水处理有限公司；质量分数为20%的钼载碳购于 阿法埃莎（天津）化学有限公司；聚偏二氟乙烯（PVDF)购于深圳华粤宝电池有限公司； N-甲基吡咯烷酮（NMP)购于广州化学试剂厂。 实施例1 生物燃料电池（MFC)的制备，具体步骤如下： (1)均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备： 将平均分子量为17万、醇解度为99 %的聚乙烯醇溶解在去离子水中，将液体转 入250ml的圆底烧瓶，75°C下加热溶解，电动搅拌6h，待完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏 齐[J ;聚乙烯醇和去离子水的质量比为0. 5 ; 将胶黏剂与去离子水混合，超声90min使其混合均匀，得到胶黏剂质量分数为 15wt%的胶黏剂溶液；称取所制的胶黏剂溶液lmL并加入27mg多壁碳纳米管，再超声混本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将聚乙烯醇溶解在去离子水中，搅拌加热使聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温，得到胶黏剂；(2)将步骤(1)制得的胶黏剂与去离子水混合，超声使其混合均匀得到胶黏剂溶液，然后加入碳基催化剂材料，再超声混合，得到所述均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。
【技术特征摘要】
1. 一种均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将聚乙烯醇溶解在去离子水中，搅拌加热使聚乙烯醇完全溶解后，冷却至室温，得 到胶黏剂； (2) 将步骤（1)制得的胶黏剂与去离子水混合，超声使其混合均匀得到胶黏剂溶液，然 后加入碳基催化剂材料，再超声混合，得到所述均匀碳基材料/PVA阳极催化剂。2. 根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步 骤（1)所述的聚乙烯醇和去离子水的质量比为〇. 3?1。3. 根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步 骤（1)所述的聚乙烯醇的平均分子量为17?30万，醇解度为80%?100%。4. 根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步 骤（1)所述的加热溶解聚乙烯醇的温度为50?75°C，搅拌时间为2?6h。5. 根据权利要求1所述的均匀碳基材料/PVA阳极催化剂的制备方法，其特征在于， 步骤（2)所述胶黏剂与去离子水混合后得到的胶黏剂溶液中，胶黏剂的质量浓度为2%? 30%。6. 根...
【专利技术属性】
技术研发人员：李伟善，陈晓芬，崔丹，王晓君，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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