一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及应用技术

一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及应用，本发明专利技术属于微生物燃料电池领域。具体制备步骤如下：（1）配制苯胺硫酸水溶液：苯胺的浓度为0.1mol/L，硫酸的浓度为1.0mol/L；（2）投加电气石：向上述苯胺硫酸水溶液中加入电气石，其投加量为5～20g/L，得到混合溶液；（3）恒电位法制备由电气石/聚苯胺修饰的石墨电极：在三电极体系中，将三个电极置于步骤（2）的混合溶液中，搅拌，使用电化学工作站在0.6～1.0v的恒电位下沉积10～50min，即得到电气石/聚苯胺复合电极。该电气石/聚苯胺复合电极可以作为微生物燃料电池的阴极。改善微生物燃料电池的阴极的催化性能，降低使用成本，生物阴极具有高催化性、低成本以及可持续性等优良特点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及应用，本专利技术属于微生物燃料电池领域。具体制备步骤如下：（1）配制苯胺硫酸水溶液：苯胺的浓度为0.1mol/L，硫酸的浓度为1.0mol/L；（2）投加电气石：向上述苯胺硫酸水溶液中加入电气石，其投加量为5～20g/L，得到混合溶液；（3）恒电位法制备由电气石/聚苯胺修饰的石墨电极：在三电极体系中，将三个电极置于步骤（2）的混合溶液中，搅拌，使用电化学工作站在0.6～1.0v的恒电位下沉积10～50min，即得到电气石/聚苯胺复合电极。该电气石/聚苯胺复合电极可以作为微生物燃料电池的阴极。改善微生物燃料电池的阴极的催化性能，降低使用成本，生物阴极具有高催化性、低成本以及可持续性等优良特点。【专利说明】一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及应用
本专利技术属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及其应用。
技术介绍
由于人们日常生活以及工业发展的需要，消耗大量的能源。我国现在是以煤炭和石油等不可再生的传统能源为主要能源的国家，煤炭和石油等化石燃料在过去的一个世纪支撑着工业的发展，但是化石燃料不能长久维持整个世界的可持续发展。而且随着我国经济的发展和消费的增长，生活垃圾和工业废物废水产生了大量的有机废物，引起的环境污染问题日益严重。同时人们生活的环境也受到严重了威胁，尤其是水的污染。长期以来，人们利用传统有机废水处理技术作为污水处理的主要手段，如活性污泥工艺和生物膜工艺。但是这些技术去除有机物的同时耗费能源。事实上，有机废水中含有大量的化学能，如果能把有机废水中的能量转化出来，就可以到达即处理废水又解决能源危机的问题。在近几十年中，从我们的地球上大量废物中回收能源是一项我们一直重视的研究，其研究可能同时解决能源问题和环境问题。其中微生物燃料电池(Microbial FuelCell)作为一种新型的污水处理技术，在去除有机物的同时可以产生电能，为解决环境问题和能源问题提供了 一条新途径。微生物燃料电池也有其一些缺点，因此限制了其在污水处理中的实际应用。微生物燃料电池主要由阳极室、阴极室和中间的隔膜构成，在阳极室依靠微生物氧化有机物产生质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，而电子通过外电路到达阴极，在阴极上质子、电子以及电子受体(氧气、硝酸氮等)发生反应。而阴极的催化效率是限制微生物燃料电池产电性能的主要影响之一。目前作为阴极催化剂的材料主要是Pt等贵金属，价格十分昂贵，所以寻找代替Pt或者是催化效率大于Pt的阴极催化剂是研究的重点之一。Bruce E.Logan等在阴极利用微生物作为阴极的催化剂提高了微生物燃料电池的产电性能，其产电性效率要优于Pt修饰的电极。微生物在充足的营养条件下可以持续的保持高的活性，因此在生物阴极可以保持高的催化效率，应用微生物做催化剂使得微生物燃料电池的成本大大降低，同时也促进了微生物燃料电池的实际应用。电气石是一种以含硼为特征的铝、钠、铁、钙、镁的环状硅酸盐晶体矿物。具有显著的热电性、压电性和自发电极性。研究认为电气石具有自发调节水体的氧化还原电位和PH值；降低水分子缔合度；增加水的生物膜透过率；促进细胞的新陈代谢等功能。而且电气石具有较高的物理化学稳定性，可重复利用，不产生二次污染。Ni等研究表明电气石能刺激发酵微生物早期滞后阶段的生长，并且增加后期发酵阶段的代谢产量。张斯等研究表明电气石可以提高固定在菌丝小球上的苯胺降解细菌的数量和活性。聚苯胺作为一种导电高分子材料，其原料便宜，合成简便，耐高温及抗氧化性能良好，有较高的电导和潜在的溶液、熔融加工可能性，易成膜且膜柔软、坚韧等优点。因此本专利利用电气石对微生物生长的促进作用和聚苯胺导电性来修饰电极，可以提高电极的生物适应性和导电性，进而提高微生物的活性，提高微生物在微生物燃料电池阴极的催化作用。阴极的催化性是限制微生物燃料电池的主要因素之一，目前在阴极室主要以氧气作为阴极的电子受体，而在没有催化剂的条件下氧气的还原效率很低，而使用的催化剂主要是Pt等贵金属，该催化剂具有价格昂贵、容易失效、需要经常替换等缺点，增加了微生物燃料电池的运行成本，限制了非生物阴极微生物燃料电池的进一步发展。而生物阴极对氧气有很高的催化效率，同时微生物可以连续不断的生长，可以持续保持阴极的催化效率，同时微生物还可以降解污水中的污染物。
技术实现思路
本专利技术目的是提供电气石/聚苯胺复合电极的制备方法，以及该材料作为微生物燃料电池生物阴极的电极材料提高微生物燃料电池的产电性能。该材料作为生物阴极的电极材料可以为微生物提供良好的生长环境，使该电极上附着更多的微生物，保持生物阴极微生物的活性，提高生物阴极催化阴极反应的效率。电气石/聚苯胺复合电极:电气石/聚苯胺修饰的石墨电极，在石墨电极表面形成了具有电气石和聚苯胺的复合物，使其电极表面变得更为粗糙，增大了电极的表面积。电气石/聚苯胺修饰的电极相比聚苯胺修饰的电极含有更多的元素，有B, Na, Al, S，K, Ti, Cr, Fe，进一步说明了石墨电极上附着有电气石颗粒。此外附着的电气石颗粒，对电极周围微生物的生长有促进作用，能够提高微生物的活性，促进微生物燃料电池生物阴极的催化作用。一种电气石/聚苯胺复合电极的制备方法:将电气石颗粒加入到苯胺硫酸的溶液中，在恒电位下沉积，苯胺在恒电位的作用下在石墨电极表面被氧化形成聚苯胺粘附到电极上，同时把悬浮在溶液中的电气石颗粒也粘附到电极上，形成了电气石/聚苯胺的复合电极。具体制备步骤如下:(I)配制苯胺硫酸水溶液:苯胺的浓度为0.lmol/L,硫酸的浓度为1.0mol/L。(2)投加电气石:向上述苯胺硫酸水溶液中加入电气石，其投加量为5?20g/L苯胺硫酸水溶液，得到混合溶液，电气石颗粒的平均粒径为43 μ m。(3)恒电位法制备电气石/聚苯胺复合电极:在三电极体系中被修饰的石墨电极为工作电极，Pt电极为对电极，甘汞电极为参比电极。将上述三个电极放在步骤(2)混合溶液中，同时搅拌使电气石颗粒悬浮在苯胺硫酸水溶液中，使用电化学工作站在0.6?1.0v的恒电位下沉积10?50min，即得到由电气石/聚苯胺修饰的石墨电极，清洗，干燥。电气石/聚苯胺复合电极作为微生物燃料电池的生物阴极，可以更好的适应微生物生长，提高微生物的活性，进而保持阴极高的催化效率，这样可以降低微生物燃料电池阴极材料的成本，进而推广微生物燃料电池的应用。本专利技术的有益效果:本专利技术的电气石/聚苯胺复合电极，是采用不导电的矿物质材料电气石来修饰电极，提高了电极的生物适应性，降低了修饰电极的成本，为降低电极材料的成本提供了一个新的解决方案，同时还提高了微生物燃料电池的产电性能，有利于微生物燃料电池在实际中应用。【专利附图】【附图说明】图1:电气石颗粒SEM图。图2:聚苯胺修饰的石墨电极SEM图。图3:电气石/聚苯胺修饰的石墨电极SEM图。图4:聚苯胺修饰的石墨电极EDS图。图5:电气石/聚苯胺修饰的石墨电极EDS图。图6:电气石/聚苯胺复合材料沉积30min在硫酸溶液中的循环伏安图。图7:三种不同的电极材料在微生物燃料电池中稳定运行后的功率密度图。具体实施方案实施例1恒电位法制作电极:(I)配制苯胺硫酸的水溶液:取5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电气石?聚苯胺复合电极的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：（1）配制苯胺硫酸水溶液：苯胺的浓度为0.1mol/L，硫酸的浓度为1.0mol/L；（2）投加电气石：向上述苯胺硫酸水溶液中加入电气石，其投加量为5～20g/L，得到混合溶液；（3）恒电位法制备由电气石/聚苯胺修饰的石墨电极：在三电极体系中，将三个电极置于步骤（2）的混合溶液中，搅拌，使用电化学工作站在0.6～1.0v的恒电位条件下沉积10～50min，即得到电气石/聚苯胺复合电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张捍民，张嵘，张广毅，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：