[发明专利]一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法与微生物燃料电池反应器

权利要求书

1.一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用浓硫酸和过硫酸钾的混合溶液将石墨粉溶解后，水浴加热条件下搅拌，进行预氧化，得到预氧化石墨；

（2）将预氧化石墨采用浓硫酸和硝酸钠的混合溶液溶解以保持氧化环境，加入高锰酸钾，搅拌形成浓浆；再加入去离子水，水浴加热搅拌；

（3）水浴加热结束后，加入去离子水稀释后，缓慢加入双氧水进行氧化至混合液出现气泡并变为黄色，用盐酸和去离子水依次清洗，干燥，得到氧化石墨烯；

（4）将氧化石墨烯在去离子水中超声处理后，用氟钛酸铵和硼酸的混合溶液溶解，搅拌均匀后进行水浴加热，得到的混合产物过滤膜、洗涤、真空干燥，加热钙化，得到所述微生物燃料电池阴极复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述石墨粉为无定型碳；所述浓硫酸与过硫酸钾的混合溶液按照浓硫酸与过硫酸钾液料比4.5~6:1ml/g混合得到；所述浓硫酸与过硫酸钾的混合溶液与石墨粉的液料比为8~10:1 ml/g；所述水浴加热的温度为80℃，时间为6h。

3.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述浓硫酸与硝酸钠的混合溶液按照浓硫酸与硝酸钠液料比为46:1ml/g混合得到；所述高锰酸钾与预氧化石墨的质量比为6:1；所述高锰酸钾分10次加入，每次加入的时间间隔为5min；所述浓浆是在30~40℃水浴条件下搅拌50~70min得到；所述加入去离子水的量与高锰酸钾的量的比为40:3ml/g；所述水浴加热的温度为85~95℃，时间为30~40min。

4.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述双氧水的浓度为30wt%；所述双氧水的加入量与加入的去离子水的体积比为3:100；所述盐酸的浓度为5wt%；所述清洗是用盐酸离心洗涤3次，再用去离子水离心洗涤4~7次；所述干燥是在60℃下干燥36~40h。

5.根据权利要求1所述的一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述超声处理的时间为30~40min；所述氟钛酸铵与硼酸的混合溶液是按氟钛酸铵与硼酸体积比1:1进行混合得到，所述氟钛酸铵的浓度为0.1mol/L，所述硼酸的浓度为0.3mol/L；所述氟钛酸铵与硼酸的混合溶液与石墨烯的液料比为8~10:1 ml/g；所述搅拌的时间为10~20min；所述水浴加热是在60℃下水浴封闭加热2h；所述过滤膜是过0.45μm的滤膜；所述干燥是在50~70℃下干燥14~18h；所述加热钙化是在200℃下加热1h。

6.一种基于权利要求1~5任一项所述制备方法制得的微生物燃料电池阴极复合材料的微生物燃料电池反应器，其特征在于，为单室微生物燃料电池，包括取样加样口（1）、银/氯化银参比电极（2）、数据采集器（3）、外电阻（4）、质子交换膜（5）、阴极电极、阳极室（8）和阳极电极（9）；

所述阴极电极嵌在阳极室（8）一侧的室壁上，且有一面与空气直接接触，另一面与质子交换膜（5）直接接触；所述质子交换膜（5）在阳极室内，且有一面与嵌在阳极室壁上的阴极电极直接接触，另一面与阳极室（8）内的阳极液接触；所述阳极电极（9）在阳极室（8）内靠近阴极电极的1/3处；所述取样加样口（1）在阳极室（8）的顶部；所述银/氯化银参比电极（2）插入阳极室（8）内，并通过导线与外电路连接；所述阴极电极和阳极电极（9）通过导线与外电阻（4）串联；所述数据采集器（3）与外电阻（4）并联；

所述阴极电极为空气电极，由制备的阴极复合材料与乙炔黑混合后负载在碳布上得到；所述阴极电极由与空气接触的一面至与质子交换膜（5）接触的一面，依次包括扩散层（7）、碳基层（10）、碳布（11）和催化层（6）；所述扩散层（7）的厚度为0.08~0.12mm；所述催化层（6）的厚度为0.04~0.06mm。