微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件及制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件及制备方法与应用。所述微生物燃料电池和混合型超级电容器件的正极材料为PNCO

Flexible device integrated with microbial fuel cell and hybrid super capacitor and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件及制备方法与应用
本专利技术属于电化学能量转化与存储一体化
，尤其涉及一种微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件及制备方法与应用。
技术介绍
随着世界人口的急剧增长和人类社会的不断发展，人们对能源的各种需求日益增长，传统的化石能源明显已不能满足未来社会对能源的各种需求。另外，随着电子技术的飞速发展、各种便携式电子产品的大量普及，人们对化学电源的需求不断增加、对其性能要求也不断提高。然而，风能、太阳能、地热能、海洋能等一系列的新型绿色能源往往存在着地区分布不均衡的问题，且通常需要将其转化为电能才方便使用。因此，实现新能源的深度开发和高效利用，发展高比能量、清洁、安全的化学电源体系成为社会发展的重要需求。在各种各样的发电设备中，微生物燃料电池是一种通过生物氧化直接分解有机废物并同时产生电能的技术，具有很好的发展前景。然而，与其他能量转换器件相比，微生物燃料电池作为发电设备的输出功率密度相对较低，这是限制其实际应用的一个问题。而在储能方面，混合型超级电容器件以其功率密度高、寿命长、安全性好、能量密度适中等显著特点而备受关注。令人遗憾的是，目前的混合型超级电容器件受到正极材料数量的极大困扰。因此，高功率密度的微生物燃料电池和高能量密度的混合型超级电容器件迫切需要在高性能正极材料方面取得进一步的突破。而且，将微生物燃料电池和混合型超级电容器件集成到一个具有相同材料和结构的系统中，将非常有利于高功率输出的可再生能源的收集和储存。因此，急需开发一种高性能的微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件，以解决上述高功率输出的可再生能源的收集和储存的问题，实现能源转化与储存一体化的目的。本专利技术的另一目的在于提供上述微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供所述的微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的应用。为实现上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现：一种微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法，步骤如下：将微生物燃料电池与混合型超级电容器串联连接。所述的微生物燃料电池的数量优选为一个以上。所述的微生物燃料电池优选为单室微生物燃料电池，更优选为大小为4×5×5cm3的单室微生物燃料电池。所述的微生物燃料电池优选由腔室、单面膜阴极、阳极、阳极液组成。所述的腔室优选由聚甲基丙烯酸甲酯制造。所述的阳极优选为3DPG阳极。所述的单面膜阴极及3DPG阳极大小优选为4×4cm2。所述的单面膜阴极的制备方法如下：将PNCOx纳米材料利用热压方法紧贴到阳离子交换膜上，得到单面膜阴极。所述的阳极液的制备方法如下：取10.0gNaHCO3、11.2gNaH2PO4·2H2O、10.0g葡萄糖和5.0g酵母浸膏放入烧杯中，然后加入5mmol的2-羟基-1，4-萘醌(HNQ)，搅拌均匀后在1000mL定容瓶中定容，得到阳极液。所述的阳极液优选还包括菌液。所述的菌液的制备方法如下：将经活化的大肠杆菌(Escherichiacoli)接种至去除氧气的培养基中，37℃无氧条件下进行培养18小时。所述的大肠杆菌优选为大肠杆菌K12。所述的大肠杆菌的接种量优选为培养基体积的1/9。所述的去除氧气的方式优选为通过向培养基中通20分钟的氮气。所述的培养基的制备方法如下：取蛋白胨、NaCl、牛肉粉，加蒸馏水定容，使蛋白胨、NaCl、牛肉粉的浓度分别为10g/L、5g/L、3g/L，121℃灭菌20min后待用。所述的混合型超级电容器优选通过如下方法制备：将正极材料、负极材料以及固态电解液封装，得到混合型超级电容器。所述的正极材料和负极材料的形状优选为0.5cm×2cm的长方形。所述的正极材料优选为氧空位和磷酸根离子修饰的NiCo2O4(PNCOx)纳米材料。所述的负极材料优选为三维介孔石墨烯(3DPG)纳米材料。所述的固态电解液优选为PVA/LiCl凝胶。所述的封装优选通过封装机完成。所述的PNCOx纳米材料优选通过如下步骤制备：(1)制备NiCo2O4(NCO)纳米线阵列材料；(2)制备PNCOx纳米材料。步骤(1)中所述的NCO纳米线阵列材料优选采用水热法在柔性碳布基底上制备，具体步骤如下：①将柔性碳布置于无水乙醇中超声处理，制得柔性碳布基底；②将Ni(NO3)2·6H2O，Co(NO3)2·6H2O，硫脲和NH4F溶解于水中，得到溶液A；将步骤①得到的柔性碳布基底浸入溶液A中，进行水热反应；③取出柔性碳布，冷却，冲洗，晾干，得到NCO纳米材料。步骤②中所述溶解条件优选为室温下溶解。所述的室温优选为10～30℃；更优选为24～26℃。步骤②中所述的水优选为去离子水。步骤②中所述的Ni(NO3)2·6H2O与水按质量(g)体积(L)比优选为5～150:3；更优选为10:1。步骤②中所述的Co(NO3)2·6H2O与水按质量(g)体积(L)比优选为10～240:3；更优选为20:1。步骤②中所述的硫脲与水按质量(g)体积(L)比优选为5～150:3；更优选为10:1。步骤②中所述的NH4F与水按质量(g)体积(L)比优选为5～150:3；更优选为10:1。步骤②中所述的水热反应条件优选为80～200℃反应6～36h；更优选为120℃反应12h。步骤③中所述的冷却优选为自然冷却。步骤③中所述的冲洗优选采用去离子水冲洗。步骤(2)中所述的PNCOx纳米材料优选通过原位磷化技术向步骤(1)制备的NCO纳米材料表面引入氧空位和磷酸根离子制备，具体步骤如下：(A)取步骤(1)得到的生长在柔性碳布上的NCO纳米材料置于管中，向管中加入NaH2PO2·H2O，然后对管抽真空；(B)向上述抽真空的管中注入N2，反应，冷却后停止注入N2，得到PNCOx纳米材料。步骤(A)中所述的管优选为石英管。步骤(A)中所述的柔性碳布的规格优选为2×3cm2的柔性碳布。步骤(A)中所述的NaH2PO2·H2O的用量优选为2g。步骤(A)中所述的抽真空优选为抽真空至20mTorr。步骤(B)中所述的N2的注入流速优选为100mL/min。步骤(B)中所述的反应条件优选为200～300℃加热反应3h；更优选为300℃加热反应3h。步骤(B)中所述的冷却优选为自然冷却。所述的3DPG纳米材料优选通过如下步骤制备：(I)通过Hummers法制备氧化石墨烯，然后加入去离子水中分散，得到氧化石墨烯悬浮液；(II)取氧化石墨烯悬浮液与KOH均匀混合，与一块碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法，其特征在于步骤如下：将微生物燃料电池与混合型超级电容器串联连接；/n所述的微生物燃料电池的数量为一个以上。/n

【技术特征摘要】
1.一种微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法，其特征在于步骤如下：将微生物燃料电池与混合型超级电容器串联连接；
所述的微生物燃料电池的数量为一个以上。


2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法，其特征在于：
所述的微生物燃料电池为单室微生物燃料电池，由腔室、单面膜阴极、阳极、阳极液组成；
所述的混合型超级电容器通过如下方法制备：将正极材料、负极材料以及固态电解液封装，得到混合型超级电容器。


3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法，其特征在于：
所述的正极材料为PNCOx纳米材料；
所述的负极材料为3DPG纳米材料；
所述的固态电解液为PVA/LiCl凝胶。


4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法，其特征在于：
所述的PNCOx纳米材料通过如下步骤制备：
(1)制备NCO纳米线阵列材料；
(2)制备PNCOx纳米材料。


5.根据权利要求4所述的微生物燃料电池与混合型超级电容器集成的柔性器件的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的NCO纳米线阵列材料采用水热法在柔性碳布基底上制备，具体步骤如下：
①将柔性碳布置于无水乙醇中超声处理，制得柔性碳布基底；
②将Ni(NO3)2·6H2O，Co(NO3)2·6H2O，硫脲和NH4F溶解于水中，得到溶液A；将步骤①得到的柔性碳布基底浸入溶液A中，进行水热反应；
③取出柔性碳布，冷却，冲洗，晾干，得到NCO纳米材料；
步骤②中所述溶解条件为室温下溶解；
所述的室温为10～30℃；进一步为24～26℃；
步骤②中所述的水为去离子水；
步骤②中所述的Ni(NO3)2·6H2O与水按质量体积比为5～150:3；进一步为10:1；
步骤②中所述的Co(NO3)2·6H2O与水按质量体积比为10～240:3；进一步为20:1；
步骤②中所述的硫脲与水按质量体积比为5～150:3；进一步为10:1；
步骤②中所述的NH4F与水按质量体积比为5～150:3；进一步为10:1；
步骤②中所述的水热反应条件为80～200℃反应6～36h；进一步为120℃反应12h；
步骤③中所述的冷却为自然冷却；
步骤③中所述的冲洗采用去离子水冲洗；
步骤(2)中所述的PNCOx纳米材料通过原位磷化技术向步骤(1)制备的NCO纳米材料表面引入氧空位和磷酸根离子制备，具体步骤如下：
(A)取步骤(1)得到的生长在柔性碳布上的NCO纳米材料置于管中，向管中加入NaH2PO2·H2O，然后对管抽真空；
(B)向上述抽真空的管中注入N2，反应，冷却后停止注入N2，得到PNCOx纳米材料；
步骤(A)中所述的管为石英管；
步骤(A)中所述的柔性碳布的规格为2×3cm2的柔性碳布；
步骤(A)中所述的NaH2PO2·H2O的用量为2g；
步骤(A)中所述的抽真空为抽真空至...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱文达，黎彧，肖红兵，
申请(专利权)人：广东轻工职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东;44