一種自摻雜微生物燃料電池陽(yáng)極材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電極材料的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自摻雜微生物燃料電池陽(yáng)極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，簡(jiǎn)稱MFC)是一種能清潔廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能的新興技術(shù)。MFC的電極材料是影響電池產(chǎn)電的重要原因。目前，碳材料仍然是最常用的電極材料。傳統(tǒng)的石墨棒、石墨氈、碳紙、碳布以及新型的石墨烯、碳納米管等作為電極材料已經(jīng)有很多的研究成果。而未經(jīng)修飾的碳材料有較多的缺點(diǎn)，如導(dǎo)電性較差、生物相容性不好等。而化學(xué)摻雜碳材料能夠較好的克服這些缺點(diǎn)，因而成為MFC陽(yáng)極材料開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。例如氮元素?fù)诫s的碳材料，相比未摻雜的基底碳材料，可以有效提高陽(yáng)極的電子轉(zhuǎn)移效率與微生物附著性，這對(duì)MFC的產(chǎn)電是有利的。
[0003]環(huán)境污染的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，如何有效治理環(huán)境污染成為人們亟待解決的問(wèn)題。目前，生物法是處理污/廢水中污染物最常用的一種方法。生物法在處理各種污/廢水的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的活性污泥，這些污泥中含有大量的細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)，以及少量的重金屬和有毒化合物。傳統(tǒng)的處理處置方法，如焚燒、填埋、海洋傾倒、綠化用肥料、建筑原材料等方法，都不可避免的會(huì)帶來(lái)二次污染。因此，活性污泥的處理與處置成為污水廠的一大難題。
[0004]活性污泥的主要成分是由細(xì)菌組成的菌膠團(tuán)，還有少量的無(wú)機(jī)物，而菌膠團(tuán)的主要成分是有機(jī)生物質(zhì)，同時(shí)活性污泥中的元素組成十分豐富，可以作為一種很好的自摻雜材料的原料。若是將其應(yīng)用到MFC的陽(yáng)極材料中，會(huì)帶來(lái)怎樣的效果，這需要我們?nèi)ヌ接懞脱芯俊?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于開(kāi)發(fā)一種自摻雜微生物燃料電池陽(yáng)極材料的制備方法。本發(fā)明利用活性污泥將其進(jìn)行高溫碳化，然后通過(guò)電化學(xué)聚合沉積到電極基材，得到陽(yáng)極材料。所述方法不僅解決了環(huán)境污染問(wèn)題，提供了一種新的污泥處理處置方式，還制備了高性能的自摻雜微生物燃料電池陽(yáng)極材料，且制作方法簡(jiǎn)單，成本低，原料來(lái)源廣泛。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供由上述制備方法制備得到的自摻雜微生物燃料電池陽(yáng)極材料。所制備的陽(yáng)極材料具有很好的生物相容性、穩(wěn)定性和電化學(xué)活性，能顯著提高的微生物燃料電池的產(chǎn)電性能。
[0007]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]—種自摻雜微生物燃料電池陽(yáng)極材料的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)將活性污泥干燥、研磨、過(guò)篩，在惰性氣體氛圍下，于600?900°C下煅燒2?4h，得到污泥碳材料；
[0010](2)將步驟(I)中的污泥碳材料與導(dǎo)電聚合物單體加入水中進(jìn)行混合，得到混合液；在三電極體系下，將混合液進(jìn)行電化學(xué)聚合沉積，自然干燥，得到微生物燃料電池陽(yáng)極材料。所述導(dǎo)電聚合物單體為吡咯或苯胺；所述混合液中導(dǎo)電聚合物單體的濃度為0.1?0.5mol/L，所述污泥碳材料的濃度為I?15mg/mL ;所述電化學(xué)聚合沉積的條件為:電壓為0.8V的恒電壓，單位面積電鍍量為0.5?5C ;所述三電極體系中工作電極為石墨氈、石墨刷、不銹鋼刷或不銹鋼網(wǎng)，參比電極為飽和甘萊，對(duì)電極為鉑絲、鉑網(wǎng)或碳基材料；所述自然干燥為風(fēng)干，所述干燥時(shí)間為12?24h。
[0011]步驟(I)中所述惰性氣體為氮?dú)?；所述過(guò)篩的目數(shù)為100目。
[0012]步驟⑴中所述活性污泥干燥的方法采用冷凍干燥法或烘干法；所述烘干的溫度為80?105°C，烘干的時(shí)間為24?48h ;冷凍干燥的溫度為_(kāi)40°C，冷凍干燥時(shí)間24?48h。
[0013]步驟⑴中所述活性污泥為市政污水廠活性污泥、富含氮元素的活性污泥、富含氧元素的活性污泥、或富含氮和氧元素的活性污泥。
[0014]步驟(2)中所述混合是指先進(jìn)行機(jī)械攪拌再進(jìn)行超聲分散，所述機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)速為500?700r/min，機(jī)械攬摔的時(shí)間為10?15min ;超聲分散的時(shí)間為5?lOmin。
[0015]所述污泥碳材料包括氮摻雜的污泥碳化材料和表面含氧官能團(tuán)的污泥碳材料。
[0016]所述自摻雜微生物燃料電池陽(yáng)極材料由上述制備方法制備得到。
[0017]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0018](I)本發(fā)明所制備的陽(yáng)極材料具有很好的生物相容性、穩(wěn)定性和電化學(xué)活性，能顯著提高的微生物燃料電池的產(chǎn)電性能；
[0019](2)由于污泥碳材料摻雜有氮、氧元素，摻雜的氮、氧元素會(huì)形成一些特定的活性位點(diǎn)，有利于微生物的附著；將其沉積于電極基材時(shí)，能夠促進(jìn)電子在生物膜與陽(yáng)極材料之間進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)移，對(duì)MFC的產(chǎn)電具有促進(jìn)作用。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為實(shí)施例1制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料的掃描電子顯微鏡圖即SEM圖；[0021 ]圖2為實(shí)施例1制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料X射線光電子能譜圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的微生物燃料電池的示意圖；其中1-微生物燃料電池陽(yáng)極材料、2-陽(yáng)極液、3-陽(yáng)極室殼體、4-離子交換膜、5-預(yù)處理石墨氈陰極、6-陰極液、7-陰極室殼體；
[0023]圖4為實(shí)施例1制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料安裝電池的輸出功率密度圖；
[0024]圖5為實(shí)施例2制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料安裝電池的輸出功率密度圖；
[0025]圖6為實(shí)施例3制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料安裝電池的輸出功率密度圖；
[0026]圖7為實(shí)施例4制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料安裝電池的輸出功率密度圖；
[0027]圖8為實(shí)施例5制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料安裝電池的輸出功率密度圖；
[0028]圖9為實(shí)施例6制備的微生物燃料電池陽(yáng)極材料安裝電池的輸出功率密度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0030]實(shí)施例1
[0031](I)將10克市政污水廠的外運(yùn)干污泥(該污泥中氮元素的質(zhì)量百分比為4.52%，氧元素的含量為26.68% )放入真空冷凍干燥機(jī)內(nèi)，于-40°C干燥48h，取出后研磨，過(guò)100目篩，然后在氮?dú)夥諊?，?00°C下煅燒2h，得到污泥碳材料；
[0032](2)將步驟(I)的污泥碳材料與導(dǎo)電聚合物吡咯單體加入水中進(jìn)行混合(先以700r/min的轉(zhuǎn)速機(jī)械攪拌lOmin，再超聲5min)，得到混合液，所述混合液中卩比略的濃度為10mg/mL，污泥碳材料的濃度為0.5mol/L ;利用恒電位儀，以石墨租為工作電極(長(zhǎng)2cmX寬3cm)，鉑絲為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極的三電極體系下，采用0.8V恒電壓電鍍，單位面積電鍍量為5C，將吡咯單體與污泥碳材料電化學(xué)聚合沉積到工作電極石墨氈上，自然干燥12h，得到微生物燃料電池陽(yáng)極材料。該材料的表征如圖1和2所示。
[0033]圖1為微生物燃料電池陽(yáng)極材料的SEM圖。從圖1可以看出，污泥碳材料和導(dǎo)電聚合物單體較好的共聚到工作電極上，增大了電極表面積。
[0034]圖2為微生物燃料電池陽(yáng)極材料的X射線光電子能譜全譜圖。從圖2可以看出，本發(fā)明所制備的陽(yáng)極材料含有碳、氮和氧元素，其中氮和氧元素形成的活性位點(diǎn)對(duì)微生物燃料電池陽(yáng)極產(chǎn)電是有利的。
[0035]微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，該電池由I污泥碳材料修飾陽(yáng)極、2陽(yáng)極液、3陽(yáng)極室殼體、4離子交換膜、5預(yù)處理石墨氈陰極、6陰極液和7陰極室殼體組成。其中陰極預(yù)處理石墨氈2的制備方法如下:(1)將石墨氈放入體積百分比濃度為10%的雙氧水溶液中，在90°C下