[发明专利]一种电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于微生物电化学领域，尤其涉及一种电极材料及其制备方法和应用。本发明提供的电极材料包括电极基体和沉积在所述电极基体表面的生物炭材料；所述生物炭材料由禽类羽毛和碱金属氢氧化物混合后经热解制成。本发明提供的电极材料采用禽类羽毛热解得到的生物炭修饰电极基体，将其应用到微生物电化学系统(BESs)中，可使BESs的产电能力可以提高近2倍，这主要归因于禽类羽毛热解得到的生物炭具有良好的生物相容性、优良的电导率、大的比表面积及对核黄素有更好的响应。同时由于使用禽类羽毛作为电极材料的生产原料，可以实现禽类羽毛废弃物的资源化利用，有效解决禽类羽毛废弃物引起的环境问题，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于微生物电化学领域，尤其涉及一种电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

如今环境污染和能源短缺是人类面临的两大问题。禽类羽毛是一种丰富的、廉价的并且可再生的资源。但是目前由于缺乏经济有效的治理方法，大量的禽类羽毛固废物通过填埋的方式来处理。如果能将禽类羽毛转化成有价值的材料来用于各种生产应用，如此而来，在产生巨大经济效益的同时还能极大地缓解环境问题。

微生物电化学系统(BESs)是利用微生物驱动氧化或还原反应进行的一类生物反应器，可在降解污染物的同时产生电能，微生物电化学系统作为一种可再生能源技术，可有效地缓解能源危机，有助于人类的可持续发展。但目前这项技术的实际应用主要受限于其较弱的产电能力，主要归因于微生物和阳极之间电子传递能力较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电极材料及其制备方法和应用，本发明提供的电极材料采用禽类羽毛热解得到的生物炭进行修饰，可以实现禽类羽毛废弃物的资源化利用，同时该电极材料具有优异的电化学性能，将其应用到微生物电化学系统中，可显著提升微生物电化学系统的产电能力。

本发明提供了一种电极材料，包括电极基体和沉积在所述电极基体表面的生物炭材料；所述生物炭材料由禽类羽毛和碱金属氢氧化物混合后经热解制成。

优选的，所述热解的保温温度为600～700℃；所述热解的保温时间为2～5h。

优选的，所述热解的温度曲线为先以5～10℃/min的升温速率升温到所述保温温度，保温，之后再以5～10℃/min的降温速率降温至80～120℃，最后自然冷却至15～35℃。

优选的，所述禽类羽毛包括鸡毛、鸭毛和鹅毛中的一种或多种。

优选的，所述禽类羽毛和碱金属氢氧化物的质量比为1：(1.5～5)。

优选的，所述电极基体为碳纸电极，其他适用的电极有:、碳毡电极、碳布电极、碳刷电极、不锈钢网电极、或石墨毡电极均可。

本发明提供了一种上述技术方案所述电极材料的制备方法，包括以下步骤：

a)禽类羽毛和碱金属氢氧化物混合，热解，得到生物炭材料；

b)将所述生物炭材料沉积到电极基体表面，得到电极材料。

优选的，所述步骤b)具体包括：

b1)将所述生物炭材料、碘单质和丙酮混合超声，得到电泳沉积分散液；

b2)将电极基体作为阴极置于所述电容沉积分散液中进行电泳沉积，得到电极材料。

本发明提供了一种微生物电化学系统，所述微生物电化学系统的工作电极为上述技术方案所述的电极材料；所述微生物电化学系统的电解液为产电微生物溶液。

优选的，所述产电微生物溶液中的产电微生物包括希瓦氏菌MR-1、地杆菌、脱硫弧菌、和大肠杆菌和混菌中的一种或多种。