[发明专利]锰酸锂对碳材料的表面修饰方法及其在微生物燃料电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源与环境工程技术领域，具体涉及碳材料的表面修饰方法及得到的电极材料在微生物燃料电池中的应用。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是20世纪末才兴起的一种废物资源化绿色技术，它利用产电微生物将废水或废物中蕴含的化学能催化氧化转变为电能，实现在废物处理的同时实现资源化，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。

典型的MFC包括阳极室和阴极室，两室之间由质子交换膜或其他分隔材料隔开。阳极的微生物在厌氧条件下代谢水中的有机物，产生电子和质子。电子传递到阳极，再由外电路到达阴极，质子则穿过质子交换膜到达阴极。阳极直接参与微生物催化燃料氧化反应，且吸附在在阳极上的那部分微生物对产电的多少起主要作用，阳极的性能还影响微生物产生的电子向阳极表面的传递，因此阳极的选择对MFC的产电性能起到至关重要的作用。要提高MFC的产电能力，就必须选择合适的阳极材料作为研究对象，对阳极材料及其表面特性对MFC产电性能的影响进行针对性研究。在MFC中，好的阳极材料要适宜微生物在其表面附着生长，并且有利于电子从产电菌体内向阳极的传递，同时阳极材料还需具有较小的内阻、高电导率、较好的生物相容性和化学稳定性，且不易堵塞。

产电微生物在降解有机物的过程中产生的电子，必需要跨越一定的能垒跃迁到阳极才能形成电流。电子在跨越能垒跃迁的过程中造成的电压损失称为活化过电势。在MFC中，阳极活化过电势高低由阳极表面的能态与在产电菌降解有机物的过程中产生的电子能态共同决定。对于某种确定的产电菌种，其产生的电子能态也是确定的，因此阳极活化过电势的高低只与阳极表面的能态高低有关。现在在MFC中，大部分的阳极材料均为碳毡、碳纸、石墨、碳刷和碳布等碳基材料。碳基材料虽然导电性能好，但其表面能态高，容易失去电子从而表现出还原性。因此电子需要较高的能量才能跃迁到碳基电极上，这就造成了较高的阳极活化过电势。通过对阳极进行表面修饰，降低阳极表面的能态，可以有效地降低阳极的活化过电势，提高MFC的产电性能。因此，探寻合适的阳极修饰材料也是提高MFC产电性能的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳材料的修饰方法，通过修饰提高碳材料的生物相容性、导电性等性能，并将修饰的碳材料用作微生物燃料电池的阳极，以此来改善微生物燃料电池的产电性能，提高微生物燃料电池在实际中应用的可能性，为微生物燃料电池的开发提供一种新的思路。

发明主要内容如下：

一种碳材料的修饰方法，所述修饰方法包括以碳材料为基体，利用具有良好导电性能的纳米锰酸锂对碳基材料进行表面修饰，制备得到一种修饰的阳极材料；其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)首先用去离子水所述碳材料进行清洗，清洗后的材料烘干(如放入105℃的烘箱中烘干)；烘干的材料使用丙酮浸泡至少12h，取出后用去离子水充分浸洗，然后继续烘干备用；

(2)称取纳米锰酸锂溶解于去离子水中，放入超声清洗仪超声至少30min，使纳米锰酸锂均匀分散到水中，每(0.8-2)g纳米锰酸锂对应250ml去离子水，优选1g纳米锰酸锂对应250ml去离子水；

(3)将碳材料放入(2)中得到的均匀分散介质中浸泡至少30min，取出后烘干(如放入105℃的烘箱中烘干)；

(4)重复步骤(3)，直到将碳材料在纳米锰酸锂分散介质中浸泡至少三次；

(5)最后将步骤(4)碳材料清洗、烘干。

所述碳材料是碳纤维刷、碳纸、碳布、碳毡、活性炭或石墨等。

采用上述修饰方法得到的碳材料作为阳极材料在微生物燃料电池中的应用，以双室生物阴极型微生物燃料电池为研究对象，以所述阳极材料为微生物燃料电池的阳极。

本发明验证纳米锰酸锂修饰碳纤维刷应用于微生物燃料电池阳极的过程如下：微生物燃料电池的组装和启动

利用本发明方法得到的阳极材料组装微生物燃料电池的方法按以下步骤进行：微生物燃料电池的阳极和阴极分别置于有机玻璃制成的反应器两端，中间用质子交换膜隔开，阴阳极腔体、阴阳极盖板用螺栓连接并固定；在蠕动泵作用下，阴极液和阳极液分别在阴阳极室内自下向上流，阴极设有曝气装置。用钛丝导出阴阳极，电路中设有旋转式电阻箱，输出电压通过数据采集卡自动采集并记录到计算机中，开路电压由数字万用表测定。阳极使用锰酸锂修饰过的碳刷，阴极使用仅经过丙酮清洗过的碳刷。

微生物燃料电池产电性能测试