[发明专利]一种太阳光强化产电的沉积型微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于新能源与新材料应用技术领域，具体涉及利用太阳光辐射为推动力，采用光敏材料负载阴极强化微生物燃料电池的产电能力。 

背景技术

沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)由埋在厌氧底泥中的阳极和悬于好氧水体中的阴极组成，这种特殊结构使其适用于河流、湖泊或海洋底泥修复和固体废弃物处理。与现有的河湖底泥原位处理技术和生态疏浚技术相比，SMFC技术可以利用天然存在的微生物将底泥中有机物彻底氧化成CO₂和水，过程环保，无二次污染。 

SMFC在进行底泥原位修复的同时，还有望为水体中小型耗电装置如传感器等供电，具有广阔的应用前景。然而，SMFC目前输出功率较低，还不能满足商业化的要求，因此如何提高体系的产电性能，降低其运行成本自然成为了该领域亟待解决的问题。SMFC以空气中大量存在的氧气为阴极终端电子受体。虽然氧气具有较高的还原电势，但其在阴极表面的还原反应(ORR)速率较慢，严重限制了SMFC的输出功率。 

近年来，在阴极表面负载ORR催化剂如Pt、CoTTMP和FePc等可以显著提高SMFC体系的输出功率。然而，Pt催化剂高昂的价格无疑会增大SMFC的成本，限制其实际应用，过渡金属大环化合物CoTTMP和FePc虽然也具有ORR催化活性但是稳定性较差，电极性能会随着运行时间的延长不断衰减。 

光催化材料又称光触媒，在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。光生电子和空穴在内部电场作用下分离并迁移到材料表面，进而在表面发生氧化还原反应。一方面光生电子进入电路传递给阴极终端电子受体O₂，将太阳能转化为电能；另一方面光生空穴具有强氧化性，可以氧化阴极区有机物，保持阴极附近溶氧浓度维持在较高水平。最终提高SMFC体系的输出电压和功率密度。Lu等(Energy Fuels,2010,24:1184-1190)将具有光催化活性的天然金红石粉末负载在阴极表面，以O₂作为阴极终端电子受体，运行双室MFC发现，体系的最大功率密度由5.73W/m³增大到12.03W/m³，但是目前这种光敏阴极并未用于太阳光辐射下强化SMFC产电和沉积物有机质去除的报道。 

这种太阳光辐射强化产电的SMFC尤其适用于在自然水体中。在富营养底泥原位修复的同时，将太阳能转化为电能，并提高SMFC对阳极沉积物中有机物的去除效率。 

发明内容

本发明提供了一种太阳光强化产电的沉积物微生物燃料电池，其阴极采用光敏材料负载电极。 

SMFC光敏阴极的制备方法，将光敏材料与导电剂(活性炭、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑和石墨烯)和粘结剂(Nafion溶液、PTFE乳液和PVDF乳液)按照一定比例混合均匀成浆料。将该浆料均匀地喷涂于电极基材(碳纸、碳布、碳毡、活性炭纤维毡和石墨毡)上，形成SMFC光敏阴极。 

具体的制备步骤如下： 

1)将光敏材料与一种或多种导电剂按比例混合； 

2)向上述混合物中加入一定体积的粘结剂并均匀混合成浆状物； 

3)将上述浆状物均匀地喷涂或涂覆于电极基材上； 

4)烘箱中40°C下干燥。 

所述光敏材料和导电剂的质量比为1:0.05～1:1。 

所述光敏材料包括TiO₂、TiO₂-ZnO、TiO₂-W、BiVO₄、Bi₂WO₆或Cu₂O中的一种或多种。 

所述导电剂为活性炭或者乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑或石墨烯中的一种或多种。 

所述粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)乳液、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液或Nafion溶液中一种或多种。 

本发明所述的沉积型微生物燃料电池的结构包括光敏阴极，碳纸、碳布、碳毡、活性炭纤维毡或石墨毡阳极，电极支架，外导线以及100～1000Ω外电阻。