[发明专利]一种水绵多孔三维电极的制备及其应用

说明书

本发明属于电极材料技术领域，涉及一种水绵多孔三维电极的制备方法及其应用；具体步骤为：将水绵用去离子水反复清洗，并用真空抽滤装置抽滤成三维饼状，低温冷冻保存后，再放入冷冻干燥机内进行冷冻干燥；然后在氮气保护条件下进行高温碳化，得到三维多孔碳基材料；根据需要进行适当裁剪，然后用导电胶将材料与钛丝连接，得到水绵多孔三维电极；本发明制备的水绵三维多孔电极选用水绵为材料，来源广泛、成本低廉，而且制作工艺简单，制备的水绵多孔三维电极比表面积大，导电性好，绿色环保，有利于微生物燃料电池的可持续发展。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种水绵多孔三维电极的制备方法及其应用。

背景技术

电极材料作为电化学系统中的重要组成部分，常常作用于电池、电容器、传感器等领域。微生物燃料电池是一种利用微生物降解有机污染物将化学能转化为电能的装置，其中阳极电极作为微生物附着和电子传递的重要组成部分，直接影响燃料电池的性能和未来的应用推广，因此开发理想的的电极材料，是提高电化学系统效能的关键因素。

在电极材料研究领域中，碳材料因其具有良好的生物相容性、导电性和化学稳定性而被广泛用作电极材料。然而，传统的碳电极(如碳布、碳纸)的比表面积有限、性能低，限制了其进一步的应用，因此各种三维大孔电极如碳海绵、碳纳米管纺织品、石墨烯泡沫等因其具有特殊的纳米大孔结构，比表面积增大的优势引起人们广泛关注。然而，昂贵的基体或复杂的碳基电极制造工艺的要求无法满足可持续性发展，阻碍了其实际应用。因此，开发低成本易制作的三维碳基电极是实现电化学系统可持续能源利用的关键。近年来，棉花、丝瓜络等天然生物材料被制备成碳基电极，生物质材料被逐渐认为是有前途的低成本三维碳基电极制备资源，然而目前这些材料性能有限，并且是季节性材料，产量有限，对燃料电池实际应用仍具有局限性。

水绵是一种绿藻类植物，世上约有380多种，可以在多个不同的水环境中生长；生长周期长、速度快，适应性好，因此它不仅能在自然环境中普遍存在，而且可以用大型生物反应器进行培养，从而保证资源的可用性；水绵丝状细胞结构，细胞壁较薄，有利于形成独特的具有高比表面积的薄碳带结构，而且能自聚集形成大孔三维结构。然而，目前关于以水绵生物材料制作电极材料的研究尚未见报道。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在解决所述问题之一；本发明通过简单的工艺制备一种比表面积高、成本低来源广、高性能可持续的电极材料，并实现其在微生物燃料电池中的应用。

一种水绵多孔三维电极制备方法，包括以下步骤：

(1)将水绵用去离子水反复清洗，并用真空抽滤装置抽滤成三维饼状，低温冷冻后，再放入冷冻干燥机内进行冷冻干燥；

(2)将步骤(1)得到的经过干燥处理后的水绵三维饼状在氮气保护条件下进行高温碳化，得到三维多孔碳基材料；

(3)将步骤(2)所得的三维多孔碳基材料进行裁剪，然后用导电胶将材料与钛丝连接，得到水绵多孔三维电极。

优选的，步骤(1)所述抽滤时间为1～60min。

优选的，步骤(1)所述三维饼状的厚度为0.1～10cm。

优选的，步骤(1)所述低温冷冻条件为-196℃～0℃，

优选的，步骤(1)所述冷冻干燥温度条件为-40℃～-20℃，时间为24～100h。

优选的，步骤(2)所述碳化温度为500～1500℃，升温速率为1～10℃/min，维持时间0.5～10h。

本发明提供的一种水绵多孔三维电极在微生物燃料电池中的应用，其方法为：本实验选用双室微生物燃料电池，阴极室和阳极室尺寸均为4cm×4cm×2cm，中间用质子交换膜隔开；阳极电极为上述制备的水绵多孔三维电极1cm×2cm，阴极电极为2cm×3cm碳毡电极，阳极电极与阴极电极外部接入2千欧电阻。