[发明专利]一种微生物燃料电池及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种微生物燃料电池及其制备方法与应用，属于电化学能量转化技术领域。本发明所述的微生物燃料电池，包括阴极材料、阳极材料和阳极液；所述的阴极材料为氧空位和磷酸根离子修饰的NiCo₂O₄纳米线阵列材料；所述的阳极材料为三维介孔石墨烯纳米材料；所述的阳极液为包含2‑羟基‑1,4‑萘醌、葡萄糖和酵母膏的磷酸盐缓冲液。本发明的微生物燃料电池具有成本低廉、表面积大、电导率高、生物催化活性高、运行稳定和输出功率高的优点，能够满足柔性固态电容器件的需求。

技术领域

本发明属于电化学能量转化技术领域，特别涉及一种微生物燃料电池及其制备方法与应用。

背景技术

随着世界人口的急剧增长和人类社会的不断发展，人们对能源的各种需求日益增长，传统的化石能源明显已不能长期满足未来社会对能源的各种需求。另外，伴随着化石能源的开发与利用，温室效应日益严重，生态环境日益恶化，可再生环境友好型的绿色能源已成为当今社会普遍关注的问题。因此，发展价格低廉和环境友好的化学电源体系，实现高效率的电力贮存与输出，是发展可再生能源的重要组成部分。

微生物燃料电池是一种利用微生物降解有机物，从而把储存在有机物中的化学能直接转化成电能的装置。利用微生物燃料电池可以同步实现有机废水处理和能量回收，是解决目前全球性的能源危机和水环境恶化的一个重要的途径。微生物燃料电池可以利用不同的碳水化合物，如小分子葡萄糖、有机物发酵产生的乙酸、氢气等，将复杂废水如印染、造纸、酿酒发酵以及畜牧等行业产生的有机废水中所含的化学能转换成电能，在有机污水净化和新能源开发方面具有巨大潜力。

然而，微生物燃料电池具有较低的输出功率，产生这种现象的原因主要是由于微生物对底物的氧化速率慢、电子传递速率小、阴极活化电位低、电池内阻大。另外，微生物燃料电池的阴极材料的选择是制约产电的重要因素之一。为解决上述问题，通常情况下是在阴极适当添加高活性催化剂如金属铂及其复合物，以提高输出功率、改善产电性能。但由于金属铂及其复合物价格昂贵、易化学腐蚀，而且对微生物比较敏感，极大地限制了其规模化应用。

因此，开发高效、稳定、廉价的氧还原催化剂是微生物燃料电池领域的研发重点。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微生物燃料电池。以解决现有微生物燃料电池成本高昂、表面积小、活性不足、运行不稳定以及输出功率不能满足预期需求的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种微生物燃料电池的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供上述微生物燃料电池的应用。

本发明的上述目的通过以下方案予以实现：

一种微生物燃料电池，包括阴极材料、阳极材料和阳极液；

所述的阴极材料为氧空位和磷酸根离子修饰的NiCo₂O₄纳米线阵列材料(PNCO_x)；

所述的阳极材料为三维介孔石墨烯(3DPG)纳米材料；

所述的阳极液为包含2-羟基-1,4-萘醌、葡萄糖和酵母膏的磷酸盐缓冲液。

所述的PNCO_x纳米材料优选通过如下步骤制备：

(1)制备NiCo₂O₄(NCO)纳米线阵列材料；

(2)制备PNCO_x纳米材料。

步骤(1)中所述的NCO纳米线阵列材料优选采用水热法在柔性碳布基底上制备，具体步骤如下：

①将柔性碳布置于无水乙醇中超声处理，制得柔性碳布基底；