一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池制造技术

一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，为最大装液体积均为20mL的阳极室和阴极室、采用三明治式结构的双室微生物燃料电池，两室之间采用阳离子交换膜隔开。本发明专利技术通过MoS

A microbial fuel cell based on molybdenum disulfide composite as anode

【技术实现步骤摘要】
一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池
本专利技术涉及一种微生物燃料电池，具体为一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池。
技术介绍
微生物燃料电池（MFCs）技术是一种新型的既能处理含有有机污染物的废水，又能同时回收能量的新型装置。其基本原理是在阳极室，用微生物作为催化剂，在厌氧的条件下分解有机物，把产生的电子通过外电路传出去，所产生的质子通过离子交换膜传到阴极室，在阴极，氧化剂（电子受体）与到达的电子和质子反应生成还原产物。因为其具有良好的社会经济效益，成为近年来的研究热点。然而，目前该类电池输出功率密度较低，限制了其广泛应用。其中，阳极既是微生物附着的载体，又是负责把电子传递出去的集流体，阳极材料对MFCs功率输出等性能起到至关重要的作用。开发具有良好电催化性能、比表面积大、电导率高、且生物相容性好的阳极材料，是提高MFCs输出功率密度的主要策略之一。碳材料因为具有良好的导电性，来源广泛，成本低，等优点，是常用的阳极材料，然而碳元素具有较高的表面能态，容易因为失去电子表现还原性，电子如果直接跃迁到碳材料的表面需要较高的能量，从而造成阳极的活化过电势较大，且单纯的碳材料，其生物相容性往往较差。因此，通过对碳材料的表面进行各种处理、修饰不同的纳米材料，以增大阳极比表面积和降低能态，可以减少活化过电势等，从而对功率的提高有积极作用。
技术实现思路
本专利技术需解决的问题是提供一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，采用二硫化钼纳米材料修饰碳材料作为微生物燃料电池复合阳极，来提高微生物燃料电池的输出功率密度。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，采用包括阳极室和阴极室的三明治式双室结构，且阳极室和阴极室之间采用阳离子交换膜隔开；所述阴极室内存放阴极液，浸放在阴极液中的阴极为碳纸或碳布；所述阳极室内存放阳极液，浸放在阳极液中的阳极为二硫化钼/碳布，或导电聚合物/二硫化钼/碳布(在此，“/”是指复合材料中两种不同物质之间存在的界面，如“二硫化钼/碳布”，表示二硫化钼长在碳布上，“导电聚合物/二硫化钼/碳布，表示二硫化钼生长在碳布上，且导电聚合物负载在二硫化钼上。)其中，存放在阴极室的阴极液为pH为中性的PBS缓冲溶液（10.0g/L碳酸氢钠、11.2g/L磷酸氢二钠）中含有50mmol/LK3[Fe(CN)6]。阳极为二硫化钼/碳布，或导电聚合物/二硫化钼/碳布，阳极室内存放阳极液。阳极液为pH为中性的PBS缓冲溶液（10.0g/L碳酸氢钠、11.2g/L磷酸氢二钠）中含有10.0g/L无水葡萄糖和5g/L酵母浸膏以及0.8707g/L的2-羟基-1,4-萘醌（HNQ）。所述导电聚合物为二硫化钼/碳布上还复合聚苯胺、聚吡咯、或者聚噻吩。一般情况下，阳极室和阴极室最大装液体积均为20mL。进一步地，二硫化钼复合阳极的制备方法如下：：S1：把市售碳布依次用丙酮，乙醇，去离子水各超声清洗半小时之后烘干备用；S2：把清洗干净的碳材料置于含有0.5-1.5g硫脲，1.0-1g钼酸钠，0.2-0.6g的P123和30-70mL去离子水的溶液中，在高压反应釜中，在150-200℃水热反应4-6小时，自然降温后用去离子水冲洗干净，烘干后得到长有MoS2纳米材料的碳材料。进一步地，复合聚苯胺导电聚合物的制备方法如下：S1：在含有0.1molL-1的苯胺和1molL-1的硫酸溶液中，以水热生长了二硫化钼/碳布的电极作为工作电极；S2：用Pt电极为对电极，甘汞电极参比，用循环伏安法电镀，扫描电位范围是-0.2V～0.9V，扫描速度10mVs-1，扫描圈数为6-20。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过MoS2纳米材料的修饰使得碳材料电化学性能显著提升，且表现出一定的对底物葡萄糖的直接催化性能，在含有底物葡萄糖和电子转移中介体的溶液中，其最大催化氧化峰电流为2.7mA/cm2，远远高于空白碳布0.37mA/cm2。2、本专利技术通过双室微生物燃料电池的测试表明，MoS2纳米材料的修饰使基于碳布作为阳极的MFCs的内阻降低43%，功率提高60%，平均库伦效率是空白碳布为阳极MFCs的2.86倍。3、本专利技术借助聚苯胺PANI的聚合可以进一步提高MoS2/碳布电极材料的导电性，降低电荷转移电阻，提高电催化活性。4、本专利技术的PANI/MoS2/碳布作为阳极MFCs的电池最大功率密度和内阻为42.13Wm-3（135Ω）远远优于单一材料PANI/碳布-MFC的22.12Wm-3（180Ω），和MoS2/碳布-MFC的27.97Wm-3（210Ω），因此，基于二硫化钼复合材料阳极价格低廉，容易批量生产，可大大降低微生物燃料电池的运行成本，且制备简单、具有良好的应用前景。附图说明图1为本专利技术的空白碳布和负载了MoS2纳米瓣的碳布在阳极液中的循环伏安曲线图；图2为本专利技术的不同阳极微生物燃料电池的a极化曲线；b功率密度曲线图；图3为本专利技术的PANI/碳布，MoS2/碳布以及PANI/MoS2/碳布在阳极液中的循环伏安曲线图；图4为本专利技术的PANI/碳布，MoS2/碳布以及PANI/MoS2/碳布阳极微生物燃料电池的a极化曲线；b功率密度曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例及附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例中：提供了一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，其中，所提及的二硫化钼复合阳极的制备方法如下：把市售碳布（不限于碳布，还包括碳纸，碳毡等碳材料）依次用丙酮，乙醇，去离子水各超声清洗半小时之后烘干备用；把清洗干净的碳材料置于含有0.5-1.5g硫脲，1.0-1g钼酸钠，0.2-0.6g的P123和30-70mL去离子水的溶液中，在高压反应釜中，在150-200℃水热反应4-6小时，自然降温后用去离子水冲洗干净，烘干后得到长有MoS2纳米材料的碳材料。为了进一步增加材料的导电性，本专利技术的另一种实施方案还包括在以上所制备的二硫化钼/碳材料上复合聚苯胺、聚吡咯、或者聚噻吩等导电聚合物。其中，复合聚苯胺（PANI）导电聚合物的制备方法如下：在含有0.1molL-1的苯胺和1molL-1的硫酸溶液中，以水热生长了二硫化钼/碳布的电极作为工作电极，用Pt电极为对电极，甘汞电极参比，用循环伏安法电镀，扫描电位范围是-0.2V～0.9V，扫描速度10mVs-1，扫描圈数为6-20。综上，本专利技术基于二硫化钼复合材料作为阳极的高性能微生物燃料电池，为双室微生物燃料电池，其采用三明治式结构，阳极室和阴极室最大装液体积均为20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池，其特征在于，采用包括阳极室和阴极室的三明治式双室结构，且阳极室和阴极室之间采用阳离子交换膜隔开；/n所述阴极室内存放阴极液，浸放在阴极液中的阴极为碳纸或碳布；/n所述阳极室内存放阳极液，浸放在阳极液中的阳极为二硫化钼/碳布，或导电聚合物/二硫化钼/碳布。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池，其特征在于，采用包括阳极室和阴极室的三明治式双室结构，且阳极室和阴极室之间采用阳离子交换膜隔开；
所述阴极室内存放阴极液，浸放在阴极液中的阴极为碳纸或碳布；
所述阳极室内存放阳极液，浸放在阳极液中的阳极为二硫化钼/碳布，或导电聚合物/二硫化钼/碳布。


2.如权利要求1所述的基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池，其特征在于：所述阴极液为pH为中性的PBS缓冲溶液,由10.0g/L碳酸氢钠、11.2g/L磷酸氢二钠混合而成且含有50mmol/LK3[Fe(CN)6]。


3.如权利要求1所述的基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极液为pH为中性的PBS缓冲溶液，由10.0g/L碳酸氢钠、11.2g/L磷酸氢二钠混合而成，且含有10.0g/L无水葡萄糖、5g/L酵母浸膏和0.8707g/L的2-羟基-1,4-萘醌HNQ。


4.如权利要求1所述的基于二硫化钼复合材料作为阳极的微生物燃料电池，其特征在于：所述导...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈妹琼，郭文显，张燕，张敏，程发良，
申请(专利权)人：东莞理工学院城市学院，东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44