[发明专利]一种三维多孔电极、其制备方法及应用

说明书

本发明提供一种三维多孔电极、其制备方法及应用。本发明的方法包括：1)采用三维造型软件设计多孔的三维基底结构，并将设计的数据导入3D打印机，进行光固化3D打印，获得多孔的三维基底材料；2)对多孔的三维基底材料进行无电沉积或碳化处理，得到三维多孔电极。采用本发明的方法可以制备得到比表面积增大，且孔径适中的三维多孔电极，有利于传质以及微生物进入电极内部附着生长，而且本发明3D打印制备，具有孔径精确可控、成本较低以及可重复性极高等特点，其用于制备微生物燃料电池三维多孔电极，成品率高，在提高微生物附着及增加微生物燃料电池功率密度的同时，有利于三维多孔电极大规模生产与应用。

技术领域

本发明属于3D打印与新能源技术领域，涉及一种三维多孔电极、其制备方法及应用，尤其涉及一种三维多孔电极、采用3D打印技术精确制备三维多孔电极的方法及在微生物燃料电池中的应用。

背景技术

由于不可再生化石燃料的短缺及其开采和使用过程中产生的环境污染问题日益严重，寻找可再生绿色能源以及清洁水资源已经在世界范围内得到广泛关注。美国工程院院士Bruce E.Logan教授(Microbial Fuel Cell,1st ed.John WileySons,Inc.,Hoboken,2007)计算发现，全美有1.5％的电力被直接用于污水处理，然而他同时指出污水中大量有机物蕴含的能量大约是污水处理所需能量的9倍。微生物燃料电池(MFC)可以在产电菌催化下将污水有机物中的化学能转化为电能，从而具有可利用底物广泛、集污水处理及电能生产于一体等优点。但是研究发现，由于微生物燃料电池阳极比表面积较低，电池功率密度始终无法大幅度提升，这已阻碍了其在污水处理领域的进一步发展和应用。

微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC)，是以产电微生物为催化剂将可生物分解利用的有机物中的化学能转化为电能的燃料电池装置。因其具有清洁环保、可循环等特点，MFC正成为新能源领域以及环境领域(特别是污水处理)的研究热点。然而，MFC普遍存在产电功率低于燃料电池等问题，其原因在于产电菌向阳极传递电子的效率不高，电极比表面积低，细菌附着少等。微生物燃料电池的阳极，作为细菌附着及生长场所，其材料与结构直接影响微生物的附着、电子传输以及底物的转化。碳基材料，如碳布，泡沫碳、碳刷等，由于具有良好的稳定性、高导电性以及较高比表面积，被广泛用于阳极材料。多种表面改性方法已被使用来增加电极比表面积和提升电池功率密度，如碳纳米管修饰聚苯胺，氨气渗氮增加电极N/C含量以及石墨电极表面沉积金、钯纳米颗粒或Mn⁴⁺等。然而，这些电极往往制备成本极高、工艺步骤复杂，而且孔径分布不规律，孔径一般小于10μm或大于500μm(T.H.Nguyen,et al.Chem.Commun.,2013,49,10754)，因而开发一种低成本、高效，且导电性优良、稳定、孔径规则、精确的高比表面积三维多孔阳极材料对进一步提高电池功率、模拟电极表面产电菌活动、传质定量分析多孔电极孔径与电池性能关系以及微生物燃料电池产业化应用具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中微生物燃料电池产电效率低、电极制备工艺复杂、成本昂贵且孔径无法控制等问题，本发明提供一种三维多孔电极、其制备方法及在微生物燃料电池中的应用，力图提高MFC实际应用的可能性。本发明通过3D打印技术可精确控制三维多孔电极的孔径，且三维多孔电极的制备工艺简单，成本低，可作为微生物燃料电池的阳极并能明显提高燃料电池的整体产电性能，具有广阔的应用前景。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种三维多孔电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)采用三维造型软件设计多孔的三维基底结构，并将设计的数据导入3D打印机，进行光固化3D打印，获得多孔的三维基底材料；

(2)对多孔的三维基底材料进行无电沉积或碳化处理，得到三维多孔电极。

本发明中，对所述的三维造型软件不做限制，例如可以是Solidworks和CAD等。