一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法，屬于微生物燃料電池【技術領域】，其步驟為：取直徑為1.6cm，長10cm，表面積為54cm2的石墨棒作為石墨陽極，分別用180、360、600、800的砂紙打磨石墨表面至光滑，以四氧化三鐵、硫酸錳、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳為原料制作Mn2++Fe3O4+Ni2+石墨陽極，其中石墨粉的粒徑為500目，高嶺土的粒徑為400目，將四氧化三鐵、硫酸錳、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳分別按照6%、3%、58%、30%和2%的質量比例進行混合，總質量為4克；本發明的優點是本發明的制備方法制得的復合陰極的導電性得到明顯提升。
【專利說明】
一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法，屬于微生物燃料電池【技術領域】。
【背景技術】
[0002]沉積物微生物燃料電池(SMFCs)是一種典型的無膜微生物燃料電池，其作用機理為:將陽極材料放置于厭氧的沉積物中，陰極材料位于上層好氧的水相中，陰極和陽極之間通過導線和電阻相連接，沉積物中有機物在陽極區附近被沉積物中土著微生物氧化分解，產生的電子傳遞到陽極，再經過外電路到達陰極，與陰極區中的氧氣和從陽極區傳遞來的質子結合生成水，從而實現在去除沉積物中有機污染物的同時又產生電流的目的。
[0003]沉積物微生物燃料電池(SMFCs)不僅可以為海洋或內陸水體的長期監測儀器提供低功率電源，同時可用于沉積物原位生物修復。Hong等采用石墨作為電極所制作的SMFCs，經過5個月的運行，平均電流密度為20.4mA/m2,沉積物中總有機質含量下降了 21.9%，易氧化有機物的含量下降了 32.7% (Hong et al., 2008) ;Yan等采用SMFCs添加無定型鐵(FeOOH)的組合技術，研究其降解湖泊沉積物中菲和芘的效果，結果顯示其對沉積物中菲、芘的去除率分別為99.47±0.15%、94.79±0.63%，對于湖泊沉積物中多環芳烴污染有著顯著的控制和修復效應。
[0004]另外SMFCs在海洋中應用有一個非常有利的條件，就是海水的導電性強，更容易發揮SMFCs的作用。Holmes等的研究發現，海水SMFCs最大電流密度為20 mA/m2,而淡水SMFCs最大電流密度只有10 mA/m2，其原因主要是海水比淡水的導電性好(Holmes eta入2004)。在20°C下海水的導電性能為50000 uS/cm，而淡水的導電性能只有500 uS/cm,同時海水對于沉積物燃料電池陰極有腐蝕作用，陰極的腐蝕作用一方面可提高其比表面積，其次可形成生物膜有利于陰極氧還原性能的提高(Bergel et al, 2005) ? Tender等人在俄勒岡州的Yaquina灣的河口和紐約的Tuckerton附近鹽沼地區兩個地點分別進行了SMFCs現場實驗，兩個地點沉積物中的有機碳含量分別為2-6%和4-6%，功率密度曲線表明在Yaquina和Tuckerton兩地沉積物燃料電池可以持續輸出的功率密度分別為28 mff/m2和27 mW/m2,陽極表面富集的微生物種類主要為地桿菌科(Tender et a7, 2002)。Ryckelynck等人在亞奎納灣安裝了相同類型的海底沉積物微生物燃料電池，電池系統輸出了大約33mff/m2的持續功率密度，這和Tende等人報道的數值相接近(Ryckelynck et al, 2005)。因此利用沉積物微生物燃料電池進行產電有著得天獨厚的優勢。
[0005]雖然沉積物微生物燃料電池(SMFCs)在污染環境處理、產電等多個領域有著良好的應用前景，但現有的微生物燃料電池的導電性通常較低，往往需要較大的導電電流和電壓才能獲得預期的效果，其功率損耗較大，而不同陽極材料與結構的選擇和設計對于SMFCs的產電能力和去污效果有重要的影響。為了解決上述困難，需要開發一種可以提升陽極導電性的海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法。
[0007]本發明主要解決的技術問題是現有制備方法獲得的陽極的導電性不能滿足要求的問題。
[0008]為了實現本發明的目的，本發明采用的技術方案是:
一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法，包括以下步驟:
(1)取直徑為1.6Cm,長10 Cm,表面積為54 cm2的石墨棒作為石墨陽極,分別用180、360、600、800的砂紙打磨石墨表面至光滑；
(2)以四氧化三鐵、硫酸錳、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳為原料制作Mn2++Fe304+Ni2+石墨陽極，其中石墨粉的粒徑為500目，聞嶺土的粒徑為400目；將四氧化二鐵、硫酸猛、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳分別按照6%、3%、58%、30%和2%的質量比例進行混合，總質量為4克；
(3)混合均勻后加入一定量的去離子水，涂于石墨電極四個側面，在80°C溫度下干燥45min，然后將石墨電極置于馬弗爐中，在380°C?450°C溫度下焙燒48 h ；
(4)在預處理好的石墨一端打一小孔，向孔中加入導電環氧樹脂，將導線裸露部分插入孔中的環氧樹脂中，但是要保證導線的裸露部分不能與石墨基體相接觸；
(5)等導電環氧樹脂凝固了以后，用萬用表測試電極和導線之間的鏈接是否良好，然后用絕緣的環氧樹脂將小孔余下的部分填滿，晾干干燥保存；
(6)配制體積比為5:2?5: 3的45%的硫酸和36%的濃硝酸的混合溶液；
(7)將前處理好的石墨陽極在溶液中浸泡30分鐘，反應溫度為65°C；
(8)將處理好的石墨陽極去除，純凈水反復浸泡，直到pH值不發生變化；
(9)將清洗好的改性石墨陽極放入鼓風干燥箱，80°C干燥12小時。
[0009]所述馬弗爐溫度為400攝氏度。
[0010]所述45%硫酸和36%濃硝酸的混合溶液體積比為5: 2。
[0011]本發明的優點是:相較于現有技術，本發明的制備方法制得的改性陽極的導電性得到明顯提升，提高了陽極微生物動力學活性，加速了胞外電子傳遞速率，提高了微生物燃料電池的電化學性能和輸出功率，該制備方法工藝簡單，原料成本低，制得的改性陽極機械強度高，適于微生物燃料電池的工程化應用。
【具體實施方式】
[0012]下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地說明。
[0013]一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法，包括以下步驟:
(1)取直徑為1.6Cm,長10 Cm,表面積為54 cm2的石墨棒作為石墨陽極,分別用180，360，600，800的砂紙打磨石墨表面至光滑；
(2)以四氧化三鐵、硫酸錳、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳為原料制作Mn2++Fe304+Ni2+石墨陽極，其中石墨粉的粒徑為500目，聞嶺土的粒徑為400目；將四氧化二鐵、硫酸猛、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳分別按照6%、3%、58%、30%和2%的質量比例進行混合，總質量為4克；
(3)混合均勻后加入一定量的去離子水，涂于石墨電極四個側面，在80°C溫度下干燥45min，然后將石墨電極置于馬弗爐中，在380°C?450°C溫度下焙燒48 h，優選馬弗爐溫度為400攝氏度；
(4)在預處理好的石墨一端打一小孔，向孔中加入導電環氧樹脂，將導線裸露部分插入孔中的環氧樹脂中，但是要保證導線的裸露部分不能與石墨基體相接觸；
(5)等導電環氧樹脂凝固了以后，用萬用表測試電極和導線之間的鏈接是否良好，然后用絕緣的環氧樹脂將小孔余下的部分填滿，晾干干燥保存；
(6)配制體積比為5:2?5: 3的45%的硫酸和36%的濃硝酸的混合溶液，優選45%硫酸和36%濃硝酸的混合溶液體積比為5:2;
(7)將前處理好的石墨陽極在溶液中浸泡30分鐘，反應溫度為65°C；
(8)將處理好的石墨陽極去除，純凈水反復浸泡，直到pH值不發生變化；
(9)將清洗好的改性石墨陽極放入鼓風干燥箱，80°C干燥12小時。
[0014]根據實驗結果驗證，相較于現有技術，本發明的制備方法制得的改性陽極的導電性得到明顯提升，提高了陽極微生物動力學活性，加速了胞外電子傳遞速率，提高了微生物燃料電池的電化學性能和輸出功率。
【權利要求】
1.一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)取直徑為1.6Cm,長10 Cm,表面積為54 cm2的石墨棒作為石墨陽極,分別用180、360、600、800的砂紙打磨石墨表面至光滑； (2)以四氧化三鐵、硫酸錳、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳為原料制作Mn2++Fe304+Ni2+石墨陽極，其中石墨粉的粒徑為500目，聞嶺土的粒徑為400目；將四氧化二鐵、硫酸猛、石墨粉、高嶺土和六水氯化鎳分別按照6%、3%、58%、30%和2%的質量比例進行混合，總質量為4克； (3)混合均勻后加入一定量的去離子水，涂于石墨電極四個側面，在80°C溫度下干燥45min，然后將石墨電極置于馬弗爐中，在380°C ?450°C溫度下焙燒48 h ； (4)在預處理好的石墨一端打一小孔，向孔中加入導電環氧樹脂，將導線裸露部分插入孔中的環氧樹脂中，但是要保證導線的裸露部分不能與石墨基體相接觸； (5)等導電環氧樹脂凝固了以后，用萬用表測試電極和導線之間的鏈接是否良好，然后用絕緣的環氧樹脂將小孔余下的部分填滿，晾干干燥保存； (6)配制體積比為5:2^5: 3的45%的硫酸和36%的濃硝酸的混合溶液； (7)將前處理好的石墨陽極在溶液中浸泡30分鐘，反應溫度為65°C； (8)將處理好的石墨陽極去除，純凈水反復浸泡，直到pH值不發生變化； (9)將清洗好的改性石墨陽極放入鼓風干燥箱，80°C干燥12小時。
2.根據權利要求1所述的一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法，其特征是:所述馬弗爐溫度為400攝氏度。
3.根據權利要求1所述的一種海洋沉積物微生物燃料電池改性陽極的制備方法，其特征是:所述45%硫酸和36%濃硝酸的混合溶液體積比為5: 2。
【文檔編號】H01M4/88GK104466201SQ201410779536
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】王健鑫, 王世來, 樓然苗 申請人:浙江海洋學院