[发明专利]一种简单环保的阳极材料处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种简单环保的阳极材料处理方法，及其在微生物燃料电池中的应用，属于新能源与污水处理领域。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, 简称MFC）是一种利用微生物为催化剂，直接将储存在废水中的化学能转化为电能的装置。在污水处理、电解制氢、微生物传感器、海水淡化等方面具有巨大的应用潜力。然而，目前微生物燃料电池的输出功率密度很低，且制造成本较高，大大限制了其实际应用。如何提高MFC的产电性能是实现该技术实用化的关键。

微生物燃料电池的阳极肩负着附着微生物并传递电子的作用，是决定MFC产电能力的重要因素。实际上，微生物的生长和附着、有机物的氧化速率和电子传递效率都与阳极材料性质密切相关。目前最常用的阳极材料主要是碳基材料，如碳布、碳毡、碳纸、石墨棒（片)、碳纤维刷等。然而，普通碳材料表面的电催化活性以及电子传递能力都较差，造成了较大的阳极活化过电势。因此为了降低阳极活化过电势，进一步提高阳极的产电性能，必需对阳极材料表面进行处理或者修饰。已有报道的阳极处理方法包括高温氨气处理、HNO₃ 或H₂SO₄强氧化处理、在阳极表面嵌入碳纳米管、金属氧化物、导电聚合物等。这些方法虽然能提高阳极的产电性能，但制作过程复杂，往往需要特殊设备；制备过程剩余的强氧化剂、纳米材料、聚合物等会造成环境污染，因此难以满足大规模应用的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种简单环保的阳极材料处理方法。该方法能有效提高微生物燃料电池的功率输出，且不需要复杂的设备和操作，不造成环境污染。

为解决技术问题，本发明解决方案是：

提供一种简单环保的阳极材料处理方法，包括以下步骤：将碳材料制成电极形状后，浸渍于质量浓度为5%~30%的过氧化氢或质量浓度为10%~60%的次氯酸钠溶液中，在0~30^oC且避光条件下静置6~10 h；将所得的样品用去离子水冲洗4~8次后，置于烘箱中，在60~100^oC下烘干6~8 h，即得到处理好的阳极材料。

本发明中，所述碳材料是碳纤维布、碳纸、碳毡、碳纤维刷、活性炭颗粒或石墨颗粒。

本发明中，所述避光条件是通过使用不透光的容器盛装溶液、用铝箔纸包裹容器、或将容器置于暗室中实现的。

本发明中，进行浸渍时，根据电极形状的不同，浸渍比有所区别：平面电极的浸渍比为8~20 L/m²，碳纤维刷或块状电极的浸渍比为800~2000 L/m³。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

本发明的阳极表面处理方法具有以下优点：

（1）与未处理的碳材料相比，以过氧化氢或次氯酸钠溶液处理过的碳材料作为微生物燃料电池的阳极，可以大大提高反应器的产电功率，减小阳极极化，缩短反应器的启动时间。

（2）处理方法简单，处理效果稳定，利于大批量生产。

（3）以过氧化氢或次氯酸钠溶液为处理试剂，价格低廉，来源广泛；剩余的试剂可通过光照或轻微加热，分解为氧气、水和氯化钠，不会对环境造成污染。

附图说明

图1为实施例1、2的阳极用于微生物燃料电池的结构示意图。

图2为使用实施例1、2的阳极时，微生物燃料电池的启动曲线。

图3为使用实施例1、2的阳极时，微生物燃料电池的功率密度曲线。

图4为实施例1、2的阳极和未处理阳极的极化曲线。

图中标号：1-电池壳体；2-碳布阳极；3-空气阴极；4-钛片集电体；5-玻璃纤维；6-进液/出液口；7-外接电阻。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作进一步说明，其目的在于更好地解释本发明而非对本发明的限制。

具体实施例1

阳极处理：将碳纤维布剪成面积为7 cm²的圆形电极，将一片电极置于5.6 mL（浸渍比8.0 L/m²）质量分数为30%的过氧化氢溶液中，溶液置于用铝箔纸包裹的烧杯中，在30^oC下浸渍10 h；取出后用大量去离子水冲洗5次；将所得样品置于烘箱中，在60^oC下烘干8 h，即得到过氧化氢溶液处理的碳布阳极。