[发明专利]一种石墨烯-钨基微生物燃料电池阳极及制备方法

说明书

本发明涉及微生物燃料电池领域，公开了一种石墨烯‑钨基微生物燃料电池阳极及制备方法。包括如下制备过程：（1）将六氯化钨醇化,加入石墨烯,然后氧化、过滤后得到三氧化钨均匀包覆的石墨烯层；（2）在高温处理中通入三聚氰胺蒸汽，制得多孔结构的氮氧化钨‑石墨烯‑氮氧化钨多层薄膜材料；（3）表面负载微生物后即得石墨烯‑钨基微生物燃料电池阳极。本发明制得的微生物燃料电池阳极与普通电池阳极相比，电子传递势垒低，润湿性较好，与微生物的附着能力强，生物膜的电导率高，循环性能优异，显著提升了微生物燃料电池的放电性能。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，公开了一种石墨烯-钨基微生物燃料电池阳极及制备方法。

背景技术

微生物燃料电池，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，由英国植物学家Potter最先发现，近年来，微生物燃料电池技术利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛，作为一种新兴的高效的生物质能利用方式等，已引起了世界各国研究者的高度关注。

微生物燃料电池系统主要由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜构成。阳极室中的产电菌催化氧化有机物，使其直接生成质子、电子和代谢产物，氧化过程中产生的电子通过载体传送到电极表面。阳极产生的H⁺透过质子交换膜扩散到阴极，而阳极产生的电子流经外电路循环到达电池的阴极。电子在流过外电阻时输出电能。电子在阴极催化剂作用下，与阴极室中的电子接受体结合，并发生还原反应。

迄今为止，微生物燃料电池的性能远低于理想状态。制约微生物燃料电池性能的因素包括动力学因素、内阻因素和传递因素等。其中阳极肩负着微生物附着并传递电子的作用，是决定微生物燃料电池产电能力的重要因素，也是研究微生物产电机理与电子传递机理的重要辅助工具，因此对微生物燃料电池阳极的研究具有十分重要的意义。目前，微生物燃料电池的阳极主要是以碳为基材制成的，包括碳纸、碳布、石墨片(棒)、碳毡和泡沫石墨。研究表明还有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，需要进行更加深入的研究。

中国发明专利申请号201310328072.4公开了微生物燃料电池用石墨烯/导电聚合物阳极的制备方法，包括如下步骤：将导电聚合物单体与石墨烯氧化物水悬浮溶液混合，室温下搅拌并超声；采用恒电压电镀法将导电聚合物单体/石墨烯氧化物导电复合物电化学聚合沉积在阳极表面，再采用循环伏安法，在电极上原位电还原为导电聚合物/电化学还原石墨烯氧化物修饰阳极,用去离子水清洗及室温晾干，制得微生物燃料电池用石墨烯/导电聚合物阳极。此发明制备的电池阳极相较于传统化学修饰方法，减少了有毒试剂的使用及繁琐的处理，制备成本低，易于实现电极制作的产业化，修饰后的电极用于电池，显著地提升了微生物燃料电池的产电能力，促进微生物燃料电池的发展应用。

中国发明专利申请号201710015899.8公开了一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，属于环境、材料、能源领域，方法步骤如下：（1）将三氯化铁和硫脲溶液逐滴滴入反应釜内的氧化石墨烯分散液中，搅拌均匀，密封反应釜，在温度为140℃~200℃之间水热反应12~24h，得水凝胶样品；（2）将水凝胶样品用去离子水洗涤数次，冷冻干燥后粉碎得到石墨烯与二硫化铁复合物纳米粉体；（3）将纳米粉体与浓度为5%的Nafion溶液和异丙醇、去离子水混合震荡均匀后，涂覆在碳布上，碳布用固定件固定，碳布晾干制得阳极。此发明的优点是合成步骤十分简单，获得粒子形貌均匀，石墨烯片层堆叠形成孔结构发达，电化学性能和生物相容性好，作为微生物燃料电池的阳极能够获得很好的性能。

根据上述，现有方案中阳极的生物膜由于与电极材料结合较差，附着力低，导致界面电阻较大，循环性能差，从而影响电子传输效率，微生物电池性能差。

发明内容

目前应用较广的微生物燃料电池阳极生物膜与电极材料结合较差，附着力低，界面电阻较大，循环性能差，从而影响电子传输效率，电池放电性能差，本发明提出了一种石墨烯-钨基微生物燃料电池阳极及制备方法，可有效解决上述技术问题。