本发明专利技术涉及微生物燃料电池技术领域，提供了一种高输出电压和功率的海底沉积层微生物燃料电池构建方法。该电池的高输出功率主要是由其较高的输出电压引起的，而高输出电压主要由于其采用了一种表面电解沉积氧化铁的石墨阳极。本发明专利技术利用了电解沉积的方法，在石墨表面沉积氧化铁。该氧化铁改性处理的阳极电位达到-775mV(相对于饱和甘汞电极)，最大交换电流密度为1.240×10-3A/cm2，由其构建的新型海底沉积层燃料电池的输出电压在1.0～1.1V左右，电池最高输出功率密度达到743.7mW/m2，是未改性阳极组装电池最大功率密度的17倍。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微生物燃料电池(MFC)
，具体涉及。
技术介绍
微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是近年来刚刚兴起的一种绿色产能技术，它以微生物作为催化剂，直接将化学能转化为电能。微生物燃料电池的原料来源广泛，在常温常压下就可以工作。Park和Rabaey指出利用微生物燃料电池可将废水或污泥中的有机质降解转化为电能，同时降低污水或污泥中的COD值。在微生物电池中，微生物将复杂的有机物和无机物分解，然后将产生的电子通过阳极传递到外电路，再传递到阴极， 形成电流⑷。海底沉积层微生物燃料电池(Benthic microbial fuel cell，简称BMFC)是一种特殊的微生物燃料电池。BMFC主要通过海底沉积物中细菌的新陈代谢，将海泥中有机物和无机物的化学能转化电能。BMFC结构的阳极部分(也可称作负极)主要是将连有导线的阳极插在海底沉积物中，阴极部分(也可称作正极)是将连有导线的阴极固定在海水当中，阴极和阳极之间的外电路串有负载电阻b’6](如图2)。目前，海底传感器和海底小型仪器的运行主要是通过传统电池供电，但是由于传统电池无法长时间持续供电，极大的限制了这类海洋仪器的应用。BMFC具有持续供电能力强，绿色环保等特点，如果可以取代传统电池在海底仪器中的应用，则可以延长仪器的海底工作时间，提高其工作能力。BMFC提供了一种可持续利用的新型绿色能源。但一般情况下，BMFC的开路电位在 0. 7 0. 8V左右，工作输出电压偏低(约0. 35 0. 5V)和输出功率偏低(一般小于IOmW/ m2阳极面积)成为限制了 BMFC广泛应用的因素。所以，如何提高输出电压和输出功率成为了人们的研究目。由于海水和海底沉积层很难改变，通过电极材料改性提高BMFC的功率密度是比较有潜力的方法。一方面，BMFC的输出电压比较低(电池的正常工作电压在0. 35 0. 5V 左右)，而且在海洋环境中，BMFC无法串联升压，只能并联，而并联不能升压。另一方面，低电压无法满足仪器的需要。为了利用海底沉积层微生物燃料电池驱动仪器的升压，人们需要设计特殊的升压装置，在低输入电压条件下，既能升高电压又具有较高的能量转化率，如果提高BMFC的输出电压，将非常有益于BMFC升压器件的设计。本专利技术提供了，该BMFC采用了一种电解沉积氧化铁制备的改性电极作为阳极，其输出电压和输出功率都有很大的提高。电化学测试表明该氧化铁改性阳极电位达到了 _775mV左右，改性阳极具有高的电化学动力学活性，电池开路电位高达1. 0 1. IV，最大输出功率密度提高17倍，构建的BMFC稳定性增加，抗极化性能提尚。
技术实现思路
本专利技术提供了。 本专利技术通过以下技术方案来实现第一步电解沉积制备氧化铁改性阳极取一定量!^eSO4 WH2CKFeCl2 MH2OJeCl3 ·6Η20等铁盐，加入烧杯中，加热至20°C 80°C快速搅拌至铁盐完全溶解，冷却至室温，把溶液转移到容量瓶中。将不同形状(棒状、圆盘状、多孔状、树枝状、毛刷状)导电基体(如石墨、碳棒等碳基材料或不锈钢、铜合金、镍合金、钛合金等耐腐蚀金属材料)用100、240、360、600、800 目砂纸依次打磨，然后在乙醇中超声10 60min，再在蒸馏水中超声10 60min，取出干燥，将导电基体与导线连接，导线与基体连接处用环氧树脂密封。氧化铁改性阳极的制备将导电基体作为工作电极，以棒状石墨电极为辅助电极， 插入配置好的铁盐溶液中，外接直流恒压电源，工作电极接“-”端，辅助电极接“+”端，组成一个闭合电路(如图1)。调节直流恒压电源的电流示数(O. 1 1. 5A)，通电反应10 60min，取出用蒸馏水洗涤，在空气中干燥。第二步海底沉积层微生物燃料电池构建本微生物燃料电池是以海底沉积物为燃料的海底微生物燃料电池，该改性阳极还可运用于普通微生物燃料电池。将氧化铁改性石墨电极放入电池槽底部，在电池槽中加入海底沉积物，沉积物上加入海水，将不同形状的阴极(棒状、圆盘状、多孔状、树枝状、毛刷状)放入海水中。阴极阳极之间连接外电路构建海底微生物燃料电池(如图2)。第三步电极和构建电池的性能测试首先将万用表调至电压档，万用表一端探针连接改性阳极，另一端探针连接甘汞电极，甘汞电极插入改性阳极所在的海泥层中，也可以插入海水中，记录下万用表的电压示数。将BMFC外接电阻箱和电流表，外接电阻箱和电压表并联，运用调解外电阻的方法，将外界电阻箱阻值由最大值开始依次降低，每次稳定5 lOmin，记录闭合电路中相对应的电流值和电压值，根据所得数据做改性阳极的极化曲线和改性阳极构建电池的功率密度-电流密度曲线。运用电化学工作站，首先连接电路，改性阳极作为工作电极，电池阴极作为辅助电极，甘汞电极作为对比电极。测定电池的恒电位曲线，在确定电极的初始稳定电位后，选定一个合适的终止电位和扫描速率，就行扫描就得到了电极的塔菲尔曲线。，取塔菲尔曲线的直线部分，运用外推法的到直线部分与纵坐标的截距，这个截距值就是电极的交换电流也/又。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果(1)从图3海底沉积层微生物燃料电池阳极电位与构建电池输出电压与时间曲线可以看出，氧化铁改性阳极的电位在_775mV左右，低于空白石墨阳极的-445mV。由于一般普通阴极电位为300mV左右，所以改性阳极构建的电池输出电压为1075mV，空白阳极构建电池输出电压为745mV，氧化铁改性修饰明显提高了微生物燃料电池的输出电压，与空白阳极相比，输出电压相差:340mV。(2)从图4电池功率密度曲线可以看出，氧化铁改性阳极构建电池的功率密度明显提高，最高功率密度达到了 743. 7mW/m2，为未改性石墨阳极最大功率密度的17倍。(3)从图5电极的极化曲线可以看出，氧化铁改性阳极的极化斜率明显降低，相对于未改性石墨电极，抗极化能力有了很大提高，微生物燃料电池的抗极化能力也有了很大的改善。(4)从图6塔菲尔曲线可以看出，氧化铁改性阳极的初始电位在_775mV左右，而普通电极的初始电位在_461mV，氧化铁改性阳极的极化趋势明显小于普通石墨阳极。电解沉积氧化铁改性阳极的交换电流密度为1. 240X10_3A/Cm2，未改性阳极交换电流密度为 3. 155Xl(T6A/cm2，提高了 393 倍。参考文献Bennetto H P,Box J,Delaney G Μ,et al. Redox-mediated electrochemistry of whole microorganisms :from fuel cell to biosensors· In :Urner AFT, Karube I, Wilson G S. Biosensors !fundamentals and applications. Oxford :0xford University Press，1987，291-314. Jang J K, Pham T H, Chang I S, et al. Construction and operation of a novel mediator and membrane-less microbial fuel cell. Proc本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：付玉彬，徐谦，卢志凯，张业龙，刘媛媛，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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