[发明专利]碳纳米球改性电极及其制备方法和在微生物燃料电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池技术领域，具体涉及碳纳米球改性电极及其制备方法和在微生物燃料电池中的应用。

背景技术

随着世界人口数的持续增加，人类日益受到能源资源不足以及环境恶化的影响，因此开发新能源得到广泛的重视，而利用可再生的生物质能发电是一种有效的手段。微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFC)作为一种利用微生物代谢产生电能的新方法，近年来受到更多人们的关注。它是一种利用微生物作为催化剂将化学能转变为电能的装置，微生物可以代谢废水中的有机物质，同时产生电能，兼具处理废水与产能的功能从而大大降低污水处理成本。但是，现有的微生物燃料电池普遍具有产电量低的缺点。

阳极作为微生物燃料电池的重要组成部分，起到富集具有电化学活性的微生物，并将电子引出的关键作用，故阳极材料对微生物燃料电池的性能具有关键性的作用。目前，阳极材料的研究主要集中在高导电率、无腐蚀性、高比表面积、高孔隙率、廉价、容易制作等几个方面。随着微生物燃料电池工程的建立，阳极材料的需求量越来越大，性价比高的阳极材料也越来越受到关注。利用碳纳米球对阳极进行改性，基于改性电极可以增大电极比表面积，可增加微生物附着量，以此可以提高微生物燃料电池的产电性能和废水处理效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的微生物燃料电池(MFC)普遍具有产电量低、废水处理效率低的缺点，提供一种碳纳米球改性电极及其制备方法，并将其应用在MFC中。制备得到的碳纳米球改性电极具有较大的比表面积，较好的氧化还原性和电化学性，将其应用到MFC中，可以提高MFC的产电性能和废水处理效率。

为此，本发明提供了一种碳纳米球改性电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将石墨片进行预处理；

(2)将有机废水和预处理后的石墨片进行水热碳化反应，制得初步改性电极；

(3)将初步改性电极进行高温处理得到碳纳米球改性电极。

根据本发明，所述步骤(1)包括将石墨片浸泡在0.5-2mol/L的盐酸溶液中保持1-3h，然后用去离子水清洗数次，直至清洗水的pH为7，烘干待用。对石墨片进行预处理，可以去除电极表面的杂质，增加电极的比表面积，提高电导率。

根据本发明，所述步骤(2)中有机废水的化学需氧量(COD)最低为50万，本发明所使用的有机废水碳含量较高，将其用作碳源，一方面可以使有机废水中大量的液相碳转化为固相碳，利用直接生长法碳直接析出附着到石墨片上，用于制备电极材料；另一方面，有机废水中的液相碳转化为固相碳，可以降低有机废水的COD。因此利用有机废水碳化制作电极材料不仅制作成本廉价且实现了有机废水的资源化利用，并相对减小了有机废水的处理负担。COD的高低与碳化出的固相碳多少有关，如果COD值低于50万，则有机废水碳化程度低，碳化出的固相碳少，不利于制备电极，而高COD有利于提高固相碳的碳化量，制备出的电极比表面积会增大。

根据本发明，所述步骤(2)包括将预处理后的石墨片放入盛有60-85ml有机废水的反应釜中，将反应釜放入烘箱，在180-210℃下反应15-18h，得到第一次碳化后的改性电极；将第一次碳化后的改性电极放入盛有60-85ml有机废水的反应釜中，将反应釜放入烘箱中，在180-210℃下反应15-18h，得到第二次碳化后的改性电极；用甲醇、蒸馏水分别洗涤第二次碳化后的改性电极3次，然后将其放入烘箱中烘干1-3h，得到初步改性电极。由于一次碳化后石墨片表面附着的碳较少，进行第二次碳化处理，可以使更多的碳附着到石墨片表面，得到比表面积更大的改性电极。

根据本发明，所述步骤(3)包括将初步改性电极放入瓷舟中，在N₂气氛下，以3-6℃/min的升温速率升温至200-400℃保持0.5-2h，然后再以3-6℃/min的升温速率升温到700-900℃，恒温1.5-3.5h，最后在N₂保护下自然冷却至室温，得到碳纳米球改性电极。有机废水中含有大量的有机官能团，因此利用有机废水制备的初步改性电极含有较多的含氧官能团，将初步改性电极进行高温处理，可以使含氧官能团发生热解，生成二氧化碳、水、甲醇等挥发性物质，因此高温处理会可以减少含氧官能团且会使得改性电极表面的碳纳米球发生膨胀。对碳纳米球改性电极表面的固体颗粒进行扫描电镜测试，结果表明附着到电极表面的固体颗粒为碳纳米球，直径为100-10000nm，因此制备得到的改性电极是碳纳米球改性电极。

根据本发明所述方法制备得到的碳纳米球改性电极。