[发明专利]微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池,具体涉及在微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs）是属于生物质能的一种，具有原料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好、在产生电能的同时进行废水处理独特优势，成为全球可再生能源研究者关注的热点。然而，由于目前微生物燃料电池产生的电能较低，人们正在努力去突破限制它产能低的因素。由于阳极材料是生物膜的附着基体，它的特性与生物膜氧化有机底物的速率密切相关，因此，阳极材料就成为了一种很重要的限制因素。同时，研究发现，阳极材料的修饰能够很大程度上提升电池的性能，所以，寻找一种低成本、高效率的修饰方法就具有十分重要的意义。

目前，对于阳极材料的修饰主要有以下几种方法：①.通过物理方式修饰。例如：改变电极表面的粗糙度，使细菌更容易的附着；改变电极表面的亲疏水程度，使细菌在电极上生物膜的厚度不同；或者高温处理改变电极表面的极性和通过电极表面包裹各种金属元素，改变电池的内阻。②.通过化学方式修饰。例如：用硝酸或者是氢氧化钠处理。③.通过高分子聚合物的修饰提升微生物燃料电池的性能。④.通过电化学沉积的方式，改变细菌在电极上面的反应速率等。

但是，在上面的这些处理方法中，用化学方式修饰后对性能提升的程度并不是很高，而用高温热处理则相对比较耗能，用高分子聚合物修饰时，会使得电极本身的导电性发生改变，同时这种预处理方式也是比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供综合利用电化学和化学手段对微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.阳极基体预处理：将微生物燃料电池的阳极基体放入容器中，加入丙酮分析纯溶液，直至丙酮将阳极基体全部淹没，用保鲜膜将容器口密封住，放置24h后，将阳极基体取出，用去离子水冲洗干净，再将阳极基体放入65℃～85℃烘箱烘干备用；

B.对经过预处理的阳极基体电解：将经过预处理的阳极基体固定在电解池中，作为工作电极；将另外一块没有预处理的电极基体固定在电解池中，作为对电极；向电解池内注入浓度为65%-68%的浓硝酸，然后将恒流源的正极连接工作电极，负极连接对电极，调节恒流源的电流使电解电流密度为1-1.5mA/cm²，经过5h～24h电解后，把连接恒流源正极侧的阳极基体取出，用去离子水反复冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液pH值为7，再将冲洗过的阳极基体放入65℃～85℃烘箱烘干备用；

C.阳极基体放入氨水溶液中进行官能团的重组：将步骤B中烘干的阳极基体取出，放入装有氨水分析纯溶液的容器中，用保鲜膜将容器口密封住，放入通风橱中静置24h，然后把阳极基体取出，反复用去离子水冲洗，直至附着在阳极基体表面的去离子水溶液pH值为7，最后把阳极基体放在室内培养皿中，待其自然干燥后放入真空干燥箱中备用。

本发明的具体原理是：首先用丙酮溶液对阳极基体进行预处理，能够去除阳极基体表面的有机物杂质，能够让细菌更好的与阳极基体接触，冲洗干净后，避免丙酮溶液对细菌在阳极基体表面的吸附和生长造成毒害作用；然后将处理好的阳极基体接上恒流源作为工作电极，而没有经过处理的阳极基体则用来当作对电极，提供电解过程中发生还原反应的场所，并通过恒流源施加电解电流，使得硝酸的氧化反应更加强烈，从而加剧了惰性阳极基体表面的C—C键的断裂和重组，由此引入了活性基团。经过5-24h电解后，阳极基体表面的官能团基本形成，接着用去离子水清除阳极基体中残留的硝酸溶液，最后再将处理后的阳极基体放入到氨水溶液中，相比没有经过处理的阳极基体而言，此时这些阳极基体表面的活性官能团就能够与氨水进行充分的反应，进一步形成肽键和类醌类基团，这些基团的形成更有利于细菌与电极之间的电子传递，进而提高了微生物燃料电池的性能。

本发明能耗低，所有的修饰的过程中，需要提供额外能量的地方只有恒流源持续供给的较小电流，相对其他高温处理（700-1200℃）耗能是较低的，并且阳极碳布在经过综合处理后，以后的运行的过程中都不需要再进行其他的处理，就能够维持一个较高的功率的输出，这样的投入更加经济、合理。

根据本发明所述的微生物燃料电池阳极表面修饰活性基团的方法的一种优选方案，所述微生物燃料电池的阳极基体为碳布、碳刷、碳纸、碳毡、碳棒或石墨棒。