[发明专利]一种应用于微生物燃料电池改性石墨毡电极及其制备方法

说明书

本发明公开一种应用于微生物燃料电池的PANI/β‑MnO₂纳米复合材料改性石墨毡电极及其制备方法。首先利用水热反应制备的β‑MnO₂纳米棒，通过聚合反应在其表面生成聚苯胺，得到纳米棒状的复合材料。将PANI/β‑MnO₂分散在PVDF中，在常温下超声处理后，涂覆在石墨毡表面，烘干后的到PANI/β‑MnO₂纳米复合材料改性石墨毡电极。采用该方法进行制备石墨毡电极，一方面提高了电极的比表面积，增加了电极表面的催化活性位点；另一方面由于聚苯胺导电作用，有利于阴极电子的传递，降低MFC的欧姆阻抗。利用该方法制备的石墨毡电极在微生物燃料电池中显示出较好的产电性能、较强的动力学活性。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，具体涉及一种改性石墨毡电极材料。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将底物中的化学能直接转化为电能的理想产电装置,具有产电与废弃物处置双重功效。溶氧阴极MFC直接以氧气为电子受体，是公认的最有应用前景的构型之一。阴极材料，特别是氧气还原(ORR)催化剂，成为MFC应用的关键因素之一。目前MFC的阴极催化剂存在价格昂贵、制备过程复杂以及长期稳定性差等问题，制约了其规模化应用。因此，通过简单经济的方法制备低成本、高性能、易放大生产的ORR催化剂，成为MFC主要研究方向之一。

纳米结构的β-MnO₂拥有高的比表面积和丰富的活性位点，表现出快的电动力学和优秀的催化活性，且其制备过程相对简单，是材料、电化学领域的热点之一。

文献1(Lixia Zhang等.Biosensors and Bioelectronics,2009,24:2825-2829.)中报道了一种以β-MnO₂作为阴极催化剂来改性微生物燃料电池，最大功率密度达到172±7mW/m²。

文献2(Clauwaert P等.Environ Sci Technol,2007,41(21):7564–7569.)中将β-MnO₂作为阴极催化剂，使得MFC的启动时间比未修饰的缩短了30％。

但是，上述文献所报道的合成方法及应用存在以下缺陷：

(1)如文献1、2其制备出的β-MnO₂改性电极虽然提高了MFC的功率输出，但是其总的功率密度仍然较低。

(2)β-MnO₂虽然具有快的电动力学和优秀的催化活性，但是其本身较差的电导性限制了MFC产电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于微生物燃料电池的改性石墨毡电极，改性石墨毡电极具有很好的微生物燃料电池产电性能，并且具有活性高、易回收、稳定性好等优点。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种应用于微生物燃料电池的PANI/β-MnO₂纳米复合材料改性石墨毡电极，将采用水热反应和聚合反应制得的PANI/β-MnO₂纳米复合材料，通过与聚偏氟乙烯(PVDF)在常温下超声之后，烘干粘结负载在石墨毡载体表面。

其中PANI/β-MnO₂的负载量为2.2-6mg cm^-2。

上述的PANI/β-MnO₂通过如下方式负载在石墨毡载体上具体步骤如下：

(1)水热反应法制备β-MnO₂纳米棒；

(2)以β-MnO₂纳米棒为氧化剂和模板剂，硫酸苯胺为原材料，通过聚合反应得到PANI/β-MnO₂纳米复合材料；