一種二氧化錳生物電池制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種二氧化錳生物電池制備方法，屬于微生物燃料電池領域，通過制備二氧化錳陰極，控制二氧化錳與炭黑的比例以及二氧化錳與60％聚四氟乙烯的比例提供一種二氧化錳生物電池的制備方法。在pH＝10.5時二氧化錳生物電池最大輸出電壓達到最大值0.6V，功率密度達到最大值2W/m2，實驗結果驗證，二氧化錳泡沫鎳陰極能提高微生物燃料電池的性能，是適合微生物燃料電池長期運行的陰極材料。
【專利說明】
一種二氧化錳生物電池制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于化學電池領域，確定一種由二氧化錳陰極及生物陽極組成的的二氧化錳生物電池的制備方法。【背景技術】
[0002]化學電池，是指通過電化學反應正極、負極活性物質的化學能轉化為電能的一類裝置。化學電池的種類很多，常用的主要是干電池、蓄電池，以及體積小的微型電池。此外， 還有金屬一一空氣電池、燃料電池以及其他能量轉換電池，如太陽電池、溫差電池、核電池等。
[0003]鋅錳干電池以鋅皮制成的鋅筒為外殼，既是負極又是保護殼，中央插一根碳棒做正極，碳棒頂端加一銅帽，在石墨碳棒周圍填滿二氧化錳和炭黑的混合物，并用離子可以通過的長纖維紙包裹作隔膜，隔膜外用氯化鋅、氯化銨和淀粉調成糊狀做電解質溶液，還填有二氧化錳，作去極化劑，(吸收正極放出的氫氣，防止產生極化現象)，電池頂端用蠟和火漆封口。干電池的電壓一般為1.5V?1.6V。這種電池在使用中鋅皮不斷腐蝕，電壓逐漸下降， 不能重新充電復原，因此不能長時間連續使用。這種電池電量小，在放電過程中容易產生氣漲或漏液。
[0004]鎳鎘蓄電池正極板上的活性物質由氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學反應，其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴散性，防止結塊，并增加極板的容量。活性物質分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。鎳鎘電池可反復充電或放電，操作簡單方便;但是記憶效應嚴重，所以必須在完全沒電時才可進行充電，以確保使用壽命。
[0005]鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎上發展起來的。鎳氫電池充電時，正極上的氫氧化鎳(Ni(0H)2)轉化為氧化氫氧化鎳(N1(OH))，電極表面的水分子會在負極上還原成氫原子，氫原子吸附在電極表面上形成吸附態的儲氫合金(MH)，再擴散到負極貯氫合金內部而被吸收形成固體MH中的氫原子越來越多，氫原子將于合金反應，形成的I3-MH在合金中擴散慢，擴散成為充電過程的控制步驟。放電時，Ni 0 (0H)得到電子轉變為Ni (OH) 2，MH內部氫原子擴散到表面形成吸附態的氫原子，再發生電化學反應形成貯氫合金和水分子。氫原子的擴散步驟仍然是負極放電過程的控制步驟。
[0007]生物燃料電池是燃料電池中特殊的一類。它利用生物催化劑將化學能轉變為電能，所以除了在理論上具有很高的能量轉化效率之外，還有其它燃料電池不具備的若干特點:①原料廣泛。可以利用一般燃料電池所不能利用的多種有機、無機物質作為燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等;②操作條件溫和。一般是在常溫、常壓、接近中性的環境中工作的。這使得電池維護成本低、安全性強;③生物相容性。利用人體內的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體，作為心臟起搏器等人造器官的電源。
[0008]按照使用催化劑形式的不同，生物燃料電池可以分為酶燃料電池和微生物燃料電池。酶燃料電池原料來源廣泛、生物相容性好、在常溫常壓和中性溶液環境中工作、可以用多種天然有機物作為燃料，是一種可再生的綠色能源，可為微型電子裝置提供電能。在疾病的診斷和治療、環境保護以及航空航天等領域具有誘人的應用前景。微生物燃料電池能夠利用廢水及廢棄物等生物質資源作為能源，降解污染物的同時產生電能，在環境保護和新能源開發的大力推動下，微生物燃料電池具有巨大的產業化前景。
[0009]本發明是以微生物燃料電池陰極材料為研究對象，在現有的微生物燃料電池的研究基礎上，提出一種二氧化錳生物電池的制備方法。通過測試生物電池的產電性能，確定一種制作簡單、無害、穩定且廉價的生物電池制備方法。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是通過制備二氧化錳陰極，提供一種二氧化錳生物電池的制備方法。
[0011]本發明主要解決的技術問題是如何制備二氧化錳陰極，確定二氧化錳、炭黑及聚四氟乙烯溶液之間的最佳配比，實現生物電池輸出電壓在0.6V，最大功率密度達到2W/m2。
[0012]為了實現本發明的目的，本發明采用的技術方案是:一種二氧化錳生物電池制備方法，包括以下步驟:(1)陰極基體材料選用泡沫鎳，按二氧化錳與炭黑的一定質量比稱取，加入無水乙醇混合攪拌10-30min;在攪拌情況下，逐滴加入一定質量的60%聚四氟乙烯溶液(二氧化錳: 60%聚四氟乙烯的質量比為10-35:1)，繼續攪拌10-30min;(2)將泡沫鎳浸泡于上述混合物中，時間為5-10min，反復浸泡3-5次后，取出晾干制備而成二氧化錳陰極；(3)以不銹鋼為電池的陽極，接種城市污水和lg/L的乙酸，按照微生物燃料電池的運行方式富集產電微生物。(4)富集好產電微生物的不銹鋼陽極和二氧化錳陰極共同組成二氧化錳生物電池。
[0013]本發明所提供的一種二氧化錳生物電池制備方法的優點在于:實現輸出電壓在 0.6V，最大功率密度達到2W/m2,在相同條件下生物電池的功率密度遠大于微生物燃料電池的功率密度。【附圖說明】
[0014]附圖1是二氧化錳生物電池產電曲線示意圖。
[0015]附圖2是不同pH條件下微生物燃料電池的功率密度曲線。【具體實施方式】
[0016]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。
[0017] —種二氧化錳生物電池制備方法，包括以下步驟:(1)陰極基體材料選用泡沫鎳，將泡沫鎳剪成直徑3.0cm的圓形；(2)按二氧化錳/炭黑一定質量比稱取藥品置于潔凈燒杯中，加入無水乙醇至剛好浸沒藥品，磁力攪拌10-30min;(3)按Mn02/60%聚四氟乙烯質量比為10-35:1，稱取聚四氟乙烯置于10ml離心管中。在攪拌情況下，逐滴滴加稱取好的聚四氟乙烯溶液，并用無水乙醇清洗離心管將剩余聚四氟乙稀溶液加入燒杯中，繼續攪拌l〇-30min;(4)將剪好的泡沫鎳用鑷子逐片浸泡于燒杯中，時間為5-10min，反復浸泡3-5次后，取出晾干制備而成二氧化錳陰極；；(5)以不銹鋼為電池的陽極，接種城市污水和lg/L的乙酸，按照微生物燃料電池的運行方式富集產電微生物。(6)富集好產電微生物的不銹鋼陽極和二氧化錳陰極共同組成二氧化錳生物電池。 [〇〇18]根據實驗結果驗證，二氧化錳泡沫鎳陰極，在以乙酸鈉基質為底物的微生物燃料電池中可保持性能穩定，隨著pH值的增加，微生物燃料電池在pH=10.5時最大輸出電壓達到最大值0.6V，功率密度達到最大值2W/m2。
[0019]根據實驗結果驗證，二氧化錳泡沫鎳陰極能提高微生物燃料電池的性能，是適合微生物燃料電池長期運行的陰極材料。
【主權項】
1.一種二氧化錳生物電池制備方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)陰極基體材料選用泡沫鎳，按二氧化錳與炭黑的一定質量比稱取，加入無水乙醇混 合攪拌10-30min;在攪拌情況下，逐滴加入一定質量的60%聚四氟乙烯溶液(二氧化錳: 60%聚四氟乙烯的質量比為10-35:1)，繼續攪拌10-30min;(2)將泡沫鎳浸泡于上述混合物中，時間為5-10min，反復浸泡3-5次后，取出晾干制備 而成二氧化錳陰極；(3)以不銹鋼為電池的陽極，接種城市污水和lg/L的乙酸，按照微生物燃料電池的運行 方式富集產電微生物。(4)富集好產電微生物的不銹鋼陽極和二氧化錳陰極共同組成二氧化錳生物電池。2.根據權利要求1所述的一種二氧化錳生物電池制備方法，其特征是:以二氧化錳作為 陰極材料組成部分，在以乙酸為燃料的生物電池中實現穩定的對外電壓輸出，對外輸出電 壓最大為〇.6V，功率密度達到2W/m2。
【文檔編號】H01M8/16GK106099149SQ201610606509
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月20日 公開號201610606509.X, CN 106099149 A, CN 106099149A, CN 201610606509, CN-A-106099149, CN106099149 A, CN106099149A, CN201610606509, CN201610606509.X
【發明人】劉廣立, 崔婉俊, 吳偉, 駱海萍, 盧耀斌, 張仁鐸
【申請人】中山大學