一種基于蛇形芯片模式的微生物燃料電池及其制備方法與流程

本發明屬于微生物燃料電池領域，涉及一種基于蛇形芯片模式的微生物燃料電池及其制備方法。

背景技術：

現代生活生產中，能源占據著重大比例，隨著人口增多，需求增大，地球上不可再生的化石能源的儲量越來越少，全球性的能源缺口加大，能源危機問題日趨突出。微生物燃料電池就是一種利用自然界中的微生物細菌作為生物催化劑，將有機物中的化學能轉化轉變為電能的裝置。微生物燃料電池是一種以微生物為陽極催化劑，將化學能直接轉化成電能的裝置，基本結構為陰極池和陽極池。利用微生物燃料電池不僅可以直接將環境中的有機物降解，而且同時可以將有機物在微生物代謝工程中產生的電子轉化成電流，從而獲得電能。目前，較為成熟的常規尺寸的微生物燃料電池由于產電效率低下在應用方面存在較大瓶頸。而微型微生物燃料電池的陰陽極池幾乎粘在一起可以減小兩者之間的距離從而使質子可以最大限度的通過質子交換膜，比傳統的兩室mfc具有更高的電子傳遞效率，產電效率也得到了極大的提高。微型微生物燃料電池由于其體積小而產電量高而具有極為廣闊的應用前景，有望在軍事、國土安全及醫學領域發揮重要的作用。

技術實現要素：

鑒于現有技術微生物燃料電池產電效率低下的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于蛇形芯片模式的微生物燃料電池及其制備方法。

為實現上述發明目的，具體提供了如下的技術方案：

一種基于蛇形芯片模式的微生物燃料電池，包括設有進液孔的第一絕緣板1、設置有陰極池和陽極池的第二絕緣板4，所述陰極池、陽極池呈蛇形通道形式置于第二絕緣板4兩側，兩個絕緣板之間設有質子交換膜2和作為陰陽極的兩塊碳紙3，兩塊碳紙3分別覆蓋在陰極池、陽極池上，質子交換膜2置于陰極池、陽極池之間。

優選的，所述陰極池、陽極池均呈寬1mm，深1mm的折形通道形式。

進一步優選的，所述陰極池、陽極池在同一水平面上。

優選的，所述進液孔有兩個，分別連通于在陰極池和陽極池通道的末端。

優選的，所述第一絕緣板、第二絕緣板為pmma板或亞克力板。

2、所述基于蛇形芯片模式的微生物燃料電池的制備方法，包括如下步驟：

1)制備蛇形陰陽極池：在厚度1mm的pmma板上，根據通道圖形，激光加工形成蛇形鏤空圖案，后將鏤空圖案用膠粘貼在厚度為1mm的襯底上，形成通道；

2)封合：將設有陽極池、陰極池的pmma板，用碳紙覆蓋在兩個池子上方，用鈦絲引出成為陰陽極，且在兩個碳紙間用質子交換膜來完成陰陽極電子傳遞；最后覆蓋上帶有進液孔的pmma底板；

3)組裝：在pmma底板和帶有通道的pmma板上涂上凡士林；后將進液孔對準通道的末端；用支撐層壓緊pmma板，并用螺絲擰緊固定，得到所述微型微生物燃料電池。此步驟中使用的凡士林，既可以增加pmma板之間的緊密性，也可以增加通道以外部分的疏水性，使得液體在通道中流動。

優選的，步驟1)中所述通道的寬度為1mm；所述襯底為亞克力板；所述膠為亞克力專用膠。

本發明的有益效果在于：為提高電流密度，有效減少內阻，本發明使用蛇形通道使得流速對內阻的影響降到最小，更為平穩的流速保證了細菌生長附著離子交換的需求。并且，兩個電極的位置比傳統器件更為貼近，有效的減小了電極距離降低了內阻。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發明所制備的蛇形通道的陰極池、陽極池示意圖；

圖2為本發明所制備的微型生物燃料電池組成電池組的結構示意圖；

圖3為本發明所制備的微型生物燃料電池的照片；

圖4為本發明實施例1中微型微生物燃料電池產電性能測試的電流密度-時間曲線；

圖5為實施例1中微型微生物燃料電池的掃描電鏡圖；

圖6為另兩種電極放置方式的微型微生物燃料電池示意圖；

圖7為實施例1所制備的微生物電池和另兩種電極放置方式的微生物電池的電流密度對比圖；

圖8為實施例1所制備的微生物電池和y型微生物電池的電流密度對比圖。

具體實施方式

下面將結合附圖，通過具體實施例對本發明的優選實施例進行詳細的描述，但本發明并不局限于此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。

實施例1制備微型微生物燃料電池

1、pmma陽極池、陰極池的制備：

首先切割寬25mm，長40mm，厚1mm的甲基丙烯酸甲酯(pmma)板，在pmma板上激光切割出圖1所示的兩個蛇形通道，兩個蛇形通道分別為陰極池和陽極池。用亞克力專用膠將此鏤空圖案粘貼到同樣大小的pmma板上，形成最終的通道。

2、封合：

將設有陽極池、陰極池的pmma板，用碳紙覆蓋在兩個池子上方，用鈦絲引出成為陰陽極，且在兩個碳紙間用質子交換膜來完成陰陽極電子傳遞，然后覆蓋上帶有進液孔的pmma底板。

3、組裝

在pmma底板和帶有通道的pmma板上涂上凡士林，然后將進液孔對準通道的末端，用支撐層壓緊pmma板，并用螺絲擰緊固定，得到所述微型微生物燃料電池，結構示意圖如圖2所示，實物照片如圖3所示。

電池產電性能測試：

注：以上實施例中步驟1)中的蛇形通道，在最后計算電流密度等數據時，使用的有效面積，是碳紙覆蓋的面積，大概36mm²。

采用希瓦氏菌shewanellaoneidensiscn-32野生型為實驗菌株(atcc700550)。菌株在lb液體培養基(10gl-1蛋白胨，5gl-1酵母抽提物，10gl-1nacl)中于30℃，220rpm搖床培養12h后，通過蠕動泵持續不間斷接入陽極池中。在該微型微生物燃料電池產電性能的測試中，測試外加負載電阻2萬歐姆，測試結果如圖4所示，由圖4可知，本實施例制備的微型微生物燃料電池的最大電流密度可達197ma/m²。為了進一步驗證細菌在通道內的附著情況，將通道內的碳紙和通道外的碳紙進行了掃描電鏡對比，如圖5中a、b所示。從圖中可以看出在通道內的碳紙表面覆蓋了大量的細菌，保證了較高的發電效益，而通道外的碳紙并沒有細菌增長附著，說明在整個電池的效益上，它是沒有做出貢獻的，在后期功率密度的計算上，通道外面積不視為有效面積。

探索不同電極放置方式對電性能的影響

在實施例1組裝中，將電極位置如圖6所示的a、b兩種形式進行重置，測試微型器件在另兩種電極放置方式下的電性能，對比實施例1的器件組裝方式，尋找最佳的搭建方式。

圖7是圖6兩種器件與圖2器件在8萬歐姆外加負載電阻下，電流密度對比圖，通過不同電極位置的電流密度測試，可以得出在此外加電阻下，圖2器件最高密度可達257ma/m²，圖6中a器件最高密度可達154ma/m²，圖6中b器件最高密度可達147ma/m²，以上測試可說明，本發明限定的基于蛇形芯片模式的微生物燃料電池電流密度明顯具有更大的優勢。

圖8為y型通道與圖2器件在8萬歐姆外加負載電阻下的電流密度對比圖，可以看出，蛇形通道的器件比y型通道的器件有更好的電化學數據。

最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。