利用三电极储存生物电能的装置及其储存生物电能的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了利用三电极储存生物电能的装置及其储存生物电能的方法。装置包括阳极室、电容室、阴极室和离子交换膜，阳极室与电容室、电容室与阴极室分别由离子交换膜隔开，在电容室中加入磷酸缓冲液，在阳极室中加入产电菌和有机物形成微生物燃料电池MFC阳极室。在充电阶段，阳极室中附着在阳极上的产电菌产生的电子通过外电路传递到电容室中的电容电极上进行储存；在放电阶段，储存满电的电容电极上的电子通过外电路快速传递到阴极电极上，阴极中的电子受体得到电子，从而实现电池输出的功率密度的提高。

Apparatus for storing bio electric energy by using three electrode and method for storing biological electric energy

The invention discloses a device for storing bio electric energy by using a three electrode and a method for storing biological electric energy. Device comprises an anode chamber, a cathode chamber and a capacitor chamber, ion exchange membrane, an anode chamber and capacitor chamber, capacitor chamber and the cathode chamber respectively by ion exchange membrane separated into phosphate buffer solution in the capacitor chamber, adding electricigens and organic form of microbial fuel cell with MFC anode chamber in the anode chamber. In the charging stage, the anode chamber is attached on the anode bacteria producing electricity production of electronic transfer through the external circuit of capacitor electrode capacitance on the storage chamber; in the discharge stage, electronic storage capacitor electrode full power on the rapid transfer to the cathode electrode through the external circuit, the electron acceptor in the cathode electron. In order to achieve the improvement of output power density of the cell.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微生物燃料电池领域，具体是一种利用三电极储存生物电能的装置及其储存生物电能的方法。
技术介绍
日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类在可持续发展道路上面临的两大根本性问题。随着经济的发展，废弃物的处理成为一个重要难题。其中工业废水成分复杂，毒性强，对环境影响恶劣，处理起来难度极大。然而，能耗是污水处理中的一个重要影响因素。在美国，全国5%的电力被用于输水基础设施的运行，而1.5%电力被单独用于污水处理。化石燃料的枯竭，人类不得不寻找新的替代能源。环境问题的日益严重，人类必须审视和调整能源结构。而废弃物并非毫无价值，关键在于人类如何利用。在这样的大背景下，微生物燃料电池（Microbial fuel cells，简称MFCs）应运而生。微生物燃料电池是以微生物为催化剂把有机物中的化学能直接转化为电能的装置，从而达到同时处理污染物和产生能量的目的，因此吸引了众多研究者的关注。由于目前来说微生物燃料电池的利用效率还比较低，提高微生物燃料电池的利用效率一方面加快COD的去除率，另一方面提高微生物燃料电池的功率密度，是目前的研究热点。而三电极微生物燃料电池装置可以很好的满足以上这两点要求，对于微生物燃料电池的实际应用具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过三电极微生物燃料电池的装置，提高电子的传递效率，从而提高微生物燃料电池的功率密度以及加快微生物燃料电池利用COD的速度，从而扩宽微生物燃料电池应用范围，促进微生物燃料电池发展应用。实现本专利技术目的所采用的技术方案包括：利用三电极储存生物电能的装置，包括阳极室、电容室、阴极室和离子交换膜，电容室在阳极室与阴极室之间，阳极室和电容室、电容室和阴极室都由离子交换膜分隔开，阳极室和电容室、电容室和阴极室之间有开关控制电路的开断路；所述电容室中电极采用电容性电极，所述电容性电极是经过预处理的基材电极上修饰超级电容材料制作具有超级电容性的电容性电极；阳极中的电极是经过预处理的基材电极上修饰生物相容性较好的材料制备得到，在所述阳极室中加入产电细菌和有机物形成微生物燃料电池MFC阳极室。进一步的，所述电容室中加入磷酸缓冲溶液，保持电子平衡；若阳极室中的产电菌为纯菌，电容室中要用pH=8的磷酸缓冲液填充满；若阳极室中的产电菌为混合菌，电容室中要用pH=7的磷酸缓冲液填充满。进一步的，所述阴极室中加入的阴极液是铁氰化钾水溶液或通入空气的水溶液，所述铁氰化钾水溶液的浓度优选为50-100mmol/L。进一步的，所述预处理是指将基材电极置于质量分数为10wt%的双氧水溶液中，在90℃下水浴煮2小时，接着用去离子水在90℃下水浴煮2小时，再用烘箱烘干。进一步的，所述预处理的基材电极上修饰超级电容材料的方法包括电化学修饰、化学沉积法、物理粘结法或冷凝干燥法；其中电化学修饰包括恒电位电镀、恒电压电镀、循环伏安法电镀，化学沉积法为溶胶凝胶法，物理粘结法包括利用聚四氟乙烯热压粘结或Nafion粘结。进一步的，所述预处理的基材电极上修饰生物相容性材料的方法包括电化学修饰、化学沉积法修饰、物理粘结法或冷凝干燥法；其中电化学修饰包括恒电位电镀、恒电压电镀、循环伏安法电镀，化学沉积法为溶胶凝胶法，物理粘结法包括利用聚四氟乙烯热压粘结或Nafion粘结。进一步的，所述基材电极为经过石墨烯或其他生物相容性较好的材料修饰的生物相容性较好、导电性强的材料，包括碳布、石墨毡、碳毡、碳纸、不锈钢网、泡沫镍、不锈钢刷、石墨刷、植物纤维刷或海绵。进一步的，所述超级电容材料包括双电层电容电极材料和赝电容电极材料中的一种以上。更进一步的，所述双电层电容电极材料，为利用材料本身较大比表面积，在电极电解质界面积累电荷的材料，包括活性碳、介孔碳、石墨烯及其氧化物或碳纳米管。更进一步的，所述鹰电容电极材料，为依靠材料本身快速高度可逆的法拉第反应实现储电的材料，包括二氧化钌、二氧化锰、铁氧化物、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚乙烯醇或聚多酚。进一步的，所述产电细菌包括具有产电能力的希瓦氏菌、地杆菌和大肠杆菌中的一种以上。进一步的，所述有机物包括乳酸、乙酸、葡萄糖、柠檬酸、实际可生化废水以及他们的对应的盐中的一种以上。利用三电极储存生物电能的装置储存生物电能的方法：在阳极室与电容室之间用导电性好的材料连接；在电容室与阴极室之间用导电性好的材料连接，并且用开关去控制电路的连通；在充电阶段，开关断开，阳极室中附着在阳极上的产电菌产生的电子通过外电路传递到电容室中的电容电极上进行储存；在放电阶段，开关连通，储存满电的电容电极上的电子通过外电路快速传递到阴极电极上，阴极中的电子受体得到电子，从而实现电池输出的功率密度的提高。进一步的，所述导电性好的材料包括钛丝或铁丝。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术将传统微生物燃料电池阳极室拆分为阳极室和电容室，可以避免电容材料被菌腐蚀，从而影响微生物燃料电池的性能。（2）在电路中接入两个开关，可以简单有效的控制不同电路的开断路，有利于阳极室中电子的收集并及时传递到电容电极上，电容电极上的电子快速的放电从而增加微生物燃料电池的输出功率。（3）本专利技术通过将修饰后有大比表面积、导电性好、生物相容性好的电极材料装入微生物燃料电池的阳极室，将修饰有超级电容器材料的电极装入微生物燃料电池的电容室，在电池内部形成内置的电容系统。（4）在充电阶段将产生的电子及时地传递到电容电极，可以加速微生物膜与电极之间的电势差，从而加速电子的传递效率，提高COD的去除率。（5）三电极体系对电极的损耗较少，不需要经常去更换电极，从而可以节约大量的人力和时间，对实际应用有更广阔的前景。附图说明图1是实施例1制得的利用三电极储存生物电能的装置结构示意图；图2是实施例2制得的双电极电池结构示意图；图3是实施例1和实施例2制得的不同电池最大功率密度条件下不同运行方式下电压的变化情况；图4是实施例1和实施例2制得的不同电池的功率密度曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步具体详细描述，但本专利技术的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。制备利用三电极储存生物能的装置阳极电极与电容电极的处理方法如下：将石墨刷和碳纸至于质量分数为10wt%的双氧水溶液中，在90℃下水浴煮2小时，接着用去离子水在90℃下水浴煮2小时，再用烘箱烘干。（1）阳极电极的制备:称量250mg石墨烯氧化物粉末置于100ml烧杯中，用量筒量取50ml去离子水倒入烧杯进行溶解，搅拌10~30分钟，然后放入超声波清洗机超声处理10~30min，随后搅拌10~30分钟，得到石墨烯氧化物分散液；然后取（30-40ml）石墨烯氧化物分散液分装在50ml离心管中，做好标记；再将预处理好的石墨刷放入离心管中，使之完全浸没于石墨烯氧化物分散液中。将离心管放入超声波清洗机超声处理1h，取出后放入烘箱，60℃下陈化24h，得到聚集在石墨刷支架上的石墨烯氧化物水溶胶。将烘好的石墨烯氧化物水溶胶取出，立即放入液氮冷冻1h，然后在真空状态下冷冻干燥处理3天，得到3D石墨烯氧化物气凝胶并沉积在石墨刷上；将多余的气凝胶刮除，则得到3D石墨烯氧化物气凝胶-石墨刷电极。（2）电容电极的制备：碳纸的修饰方法为：取8ml去离本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用三电极储存生物电能的装置，其特征在于包括阳极室、电容室、阴极室和离子交换膜，电容室在阳极室与阴极室之间，阳极室与电容室、阴极室与电容室都由离子交换膜分隔开，阳极室和电容室、电容室和阴极室之间有开关控制电路的开断路；所述电容室中电极采用电容性电极，所述电容性电极是经过预处理的基材电极上修饰超级电容材料制作具有超级电容性的电容性电极；阳极中的电极是经过预处理的基材电极上修饰生物相容性较好的材料制备得到，在所述阳极室中加入产电细菌和有机物形成微生物燃料电池MFC阳极室。

【技术特征摘要】
1.利用三电极储存生物电能的装置，其特征在于包括阳极室、电容室、阴极室和离子交换膜，电容室在阳极室与阴极室之间，阳极室与电容室、阴极室与电容室都由离子交换膜分隔开，阳极室和电容室、电容室和阴极室之间有开关控制电路的开断路；所述电容室中电极采用电容性电极，所述电容性电极是经过预处理的基材电极上修饰超级电容材料制作具有超级电容性的电容性电极；阳极中的电极是经过预处理的基材电极上修饰生物相容性较好的材料制备得到，在所述阳极室中加入产电细菌和有机物形成微生物燃料电池MFC阳极室。2.根据权利要求1所述的利用三电极储存生物电能的装置，其特征在于，所述电容室中加入磷酸缓冲溶液，保持电子平衡；若阳极室中的产电菌为纯菌，电容室中要用pH=8的磷酸缓冲液填充满；若阳极室中的产电菌为混合菌，电容室中要用pH=7的磷酸缓冲液填充满。3.根据权利要求1所述的利用三电极储存生物电能的装置，其特征在于，所述阴极室中加入的阴极液是浓度为50-100mmol/L的铁氰化钾水溶液或通入空气的水溶液；所述预处理是指将基材电极置于质量分数为10wt%的双氧水溶液中，在90℃下水浴煮2小时，接着用去离子水在90℃下水浴煮2小时，再用烘箱烘干。4.根据权利要求1所述的利用三电极储存生物电能的装置，其特征在于，所述预处理的基材电极上修饰超级电容材料的方法包括电化学修饰、化学沉积法、物理粘结法或冷冻干燥法；其中电化学修饰包括恒电位电镀、恒电压电镀、循环伏安法电镀，化学沉积法为溶胶凝胶法，物理粘结法包括利用聚四氟乙烯热压粘结或Nafion粘结。5.根据权利要求1所述的利用三电极储存生物电能的装置，其特征在于，所述预处理的基材电极上修饰生物相容性材料的方法包括电化学修饰、化学沉积法、物理粘结法或冷冻干燥法；其中电化学修饰包括恒电位电...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯春华，王凯，王冠雯，黄海澜，韦朝海，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44