[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

说明书

本发明公开了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。该制备方法包括如下步骤：（1）石墨的预氧化；（2）氧化石墨烯的制备；（3）阴极复合材料的制备。本发明制备方法原料与铂等贵金属电极催化材料相比，二氧化钛和石墨价格低廉，来源广泛。本发明一种基于制备的阴极复合材料的微生物燃料电池反应器，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）。该微生物燃料电池反应器的启动时间明显缩短，且产电量增加，构造成本，运行稳定有效，输出功率高。

技术领域

本发明涉及微生物电解池领域，具体涉及微生物燃料电池阴极材料的制备方法。

背景技术

微生物燃料电池（Microbial fuel cell）是最近几年新兴的研究科学，是一种利用微生物将有机物中的化学能转化为电能的新型装置。微生物燃料电池不仅可以将水体中的有机物和污泥进行降解，还能将降解有机物过程中产生的电子经过阳极、外电路、电路负载，最终由阴极接受电子，产生电能。作为一种新兴的能量转化装置，与传统燃料电池相比，微生物燃料电池不仅降解了有机物，而且获得了电能；具有操作条件温和、清洁高效、燃料来源广泛、可循环再利用等优点，是一种极具应用前景的新兴技术，从而受到人们的持续关注。

当前，微生物燃料电池仍然有很低的输出功率。这主要是因为微生物对底物的氧化速率慢、电子传递速率小、阴极活化电位低、电池内阻大等原因造成的。为了增强微生物燃料电池的输出功率，已经做了大量的研究，尤其是在电极材料方面的研究做了很大的努力，尤其是阴极材料的材质和结构可以直接影响电子接受率进而影响产电功率。

阴极电极材料对微生物燃料电池系统的影响主要体现在：（1）材质和结构，不仅影响电极的导电性能，并影响阴极接受电子的速率从而直接影响输出功率；（2）阴极的电阻值也是影响电池输出功率的一个重要因素，因此在选择微生物电池阴极材料时，高导电率仍然是需要考虑的问题；（3）阴极的材质是决定阴极电位的重要因素，一般碳材料疏松多孔，具有高的导电性，适用于作阴极的材料。

通常采用的碳材料包括石墨、碳布或碳纸等材料，但直接使用，效果不佳。为提高阴极材料的性能，可适当采用高活性的催化剂对阴极材料进行修饰以降低阴极的反应活化电势，从而进一步加快反应速率。碳复合纳米材料由于具有很大的比表面积、特定的孔隙结构、很高的热稳定性、极强的机械强度和韧性和极强的导电性，成为电极材料的最佳选择，是制备新型纳米和高复合材料的理想材料，在能量的储存和转化等研究领域备受推崇。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法。该方法利用二氧化钛和氧化石墨烯制备微生物燃料电池阴极复合材料，以代替贵金属等修饰的阴极材料，制得的阴极复合材料应用于微生物燃料电池中，降低了微生物燃料电池的造价，提高了微生物燃料电池的产电功率和在实际中应用的可行性。

本发明目的还在于提供一种基于上述制得的阴极复合材料的微生物燃料电池反应器。

本发明目的通过如下技术方案实现。

一种微生物燃料电池阴极复合材料的制备方法，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。