[发明专利]一种自掺杂微生物燃料电池阳极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电极材料的技术领域，具体涉及一种自掺杂微生物燃料电池阳极材料及其制备方法。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是一种能清洁废水的同时产生电能的新兴技术。MFC的电极材料是影响电池产电的重要原因。目前，碳材料仍然是最常用的电极材料。传统的石墨棒、石墨毡、碳纸、碳布以及新型的石墨烯、碳纳米管等作为电极材料已经有很多的研究成果。而未经修饰的碳材料有较多的缺点，如导电性较差、生物相容性不好等。而化学掺杂碳材料能够较好的克服这些缺点，因而成为MFC阳极材料开发的一个热点。例如氮元素掺杂的碳材料，相比未掺杂的基底碳材料，可以有效提高阳极的电子转移效率与微生物附着性，这对MFC的产电是有利的。

环境污染的问题越来越严重，如何有效治理环境污染成为人们亟待解决的问题。目前，生物法是处理污/废水中污染物最常用的一种方法。生物法在处理各种污/废水的同时，会产生大量的活性污泥，这些污泥中含有大量的细菌、病毒、寄生虫，以及少量的重金属和有毒化合物。传统的处理处置方法，如焚烧、填埋、海洋倾倒、绿化用肥料、建筑原材料等方法，都不可避免的会带来二次污染。因此，活性污泥的处理与处置成为污水厂的一大难题。

活性污泥的主要成分是由细菌组成的菌胶团，还有少量的无机物，而菌胶团的主要成分是有机生物质，同时活性污泥中的元素组成十分丰富，可以作为一种很好的自掺杂材料的原料。若是将其应用到MFC的阳极材料中，会带来怎样的效果，这需要我们去探讨和研究。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于开发一种自掺杂微生物燃料电池阳极材料的制备方法。本发明利用活性污泥将其进行高温碳化，然后通过电化学聚合沉积到电极基材，得到阳极材料。所述方法不仅解决了环境污染问题，提供了一种新的污泥处理处置方式，还制备了高性能的自掺杂微生物燃料电池阳极材料，且制作方法简单，成本低，原料来源广泛。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法制备得到的自掺杂微生物燃料电池阳极材料。所制备的阳极材料具有很好的生物相容性、稳定性和电化学活性，能显著提高的微生物燃料电池的产电性能。

本发明实现目的通过以下技术方案实现：

一种自掺杂微生物燃料电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将活性污泥干燥、研磨、过筛，在惰性气体氛围下，于600～900℃下煅烧2～4h，得到污泥碳材料；

(2)将步骤(1)中的污泥碳材料与导电聚合物单体加入水中进行混合，得到混合液；在三电极体系下，将混合液进行电化学聚合沉积，自然干燥，得到微生物燃料电池阳极材料。所述导电聚合物单体为吡咯或苯胺；所述混合液中导电聚合物单体的浓度为0.1～0.5mol/L，所述污泥碳材料的浓度为1～15mg/mL；所述电化学聚合沉积的条件为：电压为0.8V的恒电压，单位面积电镀量为0.5～5C；所述三电极体系中工作电极为石墨毡、石墨刷、不锈钢刷或不锈钢网，参比电极为饱和甘汞，对电极为铂丝、铂网或碳基材料；所述自然干燥为风干，所述干燥时间为12～24h。

步骤(1)中所述惰性气体为氮气；所述过筛的目数为100目。

步骤(1)中所述活性污泥干燥的方法采用冷冻干燥法或烘干法；所述烘干的温度为80～105℃，烘干的时间为24～48h；冷冻干燥的温度为-40℃，冷冻干燥时间24～48h。

步骤(1)中所述活性污泥为市政污水厂活性污泥、富含氮元素的活性污泥、富含氧元素的活性污泥、或富含氮和氧元素的活性污泥。

步骤(2)中所述混合是指先进行机械搅拌再进行超声分散，所述机械搅拌的转速为500～700r/min，机械搅拌的时间为10～15min；超声分散的时间为5～10min。

所述污泥碳材料包括氮掺杂的污泥碳化材料和表面含氧官能团的污泥碳材料。

所述自掺杂微生物燃料电池阳极材料由上述制备方法制备得到。

相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：

(1)本发明所制备的阳极材料具有很好的生物相容性、稳定性和电化学活性，能显著提高的微生物燃料电池的产电性能；

(2)由于污泥碳材料掺杂有氮、氧元素，掺杂的氮、氧元素会形成一些特定的活性位点，有利于微生物的附着；将其沉积于电极基材时，能够促进电子在生物膜与阳极材料之间进行快速的转移，对MFC的产电具有促进作用。

附图说明

图1为实施例1制备的微生物燃料电池阳极材料的扫描电子显微镜图即SEM图；