[发明专利]以锰矿制备微生物燃料电池阴极电子受体的方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于环境与新能源技术领域，具体涉及一种以锰矿制备微生物燃料电池阴极电子受体的方法与应用。

背景技术

微生物燃料电池（MFC）是一种以微生物为阳极催化剂，通过其代谢作用，在常温、常压下将生活污水和工业废水中的有机物的化学能直接转化成电能的装置，该技术是一种新概念的废弃物处理和能源利用方式，具有在生物质能转化和利用方面发挥重要作用的潜力，发展前景广阔。

MFC包括单室微生物燃料电池和双室微生物燃料电池，通常主要由阴阳电极、质子交换膜和反应室3部分组成。其基本工作原理是：在阳极反应室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极；在阴极表面，电子受体（如氧气、铁氰化钾、高锰酸钾等）与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。

阴极电子受体与电极材料是MFC电能输出功率的关键因素。以空气中的氧做为电子受体有很大成本优势和实用价值，但是由于氧还原慢的动力学行为，往往需要高效催化剂来加快氧的还原。金属铂对于氧有极好的催化活性和较高的稳定性，但因其价格昂贵，使其广泛应用受到限制。以廉价金属氧化物二氧化锰修饰制备的复合阴电极材料既能降低电极材料的生产成本，又能较好地提高MFC的功率输出。中国专利（申请号：200810198453.4）公开了一种利用二氧化锰制备微生物燃料电池阴极的应用方案，该方案具体是将二氧化锰、导电碳材料、粘结剂混合涂覆于导电基底上制备阴电极，并应用到MFC上，其开路电压可达459mV，输出功率可达1619.85W/m³。张叶臻等成功制备了表面修饰二氧化锰的多壁碳纳米管（MnO₂/MWNTs）复合材料，该复合材料作为阴极构建的MFC具有较高的开路电压（710mV)和输出功率（最大输出功率密度可达257mW/m²）。但以上采用二氧化锰制备阴电极方案的制备工艺均比较繁琐、复杂，同样会增加MFC的制备成本。氧化剂如重铬酸钾、铁氰化钾、高锰酸钾等具有高的氧化还原电位，作为阴极电子受体可大幅度提高MFC的输出功率。詹亚力等研究发现，以醋酸钠溶液作为阳极营养液，高锰酸钾溶液作为阴极电子受体构建双室微生物燃料电池具备可行性，通过测试得到该MFC的最大开路电压达1.2V，最大输出功率密度达824mW/m²。

从废弃物的利用角度看，MFC已具实际应用价值。但目前MFC制造成本偏高，使得经济价值降低。昂贵的阳极催化剂和阴极材料是MFC成本高的主要原因。寻找高性能、低成本化学催化剂和阴极材料是MFC生物质能利用的发展方向。在检索到文献中，未发现利用含锰矿物质为主要原料制备的阴极电子受体并应用到微生物燃料电池的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种以锰矿制备微生物燃料电池阴极电子受体的方法，通过该方法制备的阴极电子受体可应用在微生物燃料电池中。本发明阴极电子受体制备工艺简单，生产成本低，应用在微生物燃料电池可大幅度提高其输出电压。

在微生物燃料电池阳极室内反应产生的电子会通过阳电极与外线路传递至阴电极，质子通过质子交换膜直接迁移至阴电极，而阴极室内的电子受体会结合电子与质子发生还原反应，从而形成电流，源源不断地将阳极室内有机物的化学能转化为电能。现有技术中常将氧化剂如重铬酸钾、铁氰化钾、高锰酸钾等作为阴极电子受体，通常做法是将所述氧化剂配置成一定浓度的水溶液或缓冲溶液作为阴极电解液加入阴极室内。

本发明提供了一种制备阴极电子受体的方案，具体是将锰矿粉末、三价铁盐经酸浸泡处理制备而得。

本发明阴极电子受体是直接采用含锰矿物质为原料制备的，原料广泛易取，制备工艺简单，同时为含锰矿物质的利用增加了一条途径。对于低品位或废弃的含锰矿物质同样适用于本发明中，扩大了矿产资源的利用率，对开发利用低品位或二次矿产资源具有重要意义。