[发明专利]一种基于多粒径碳材料的微生物燃料电池阳极及其制备方法和微生物燃料电池

说明书

本发明涉及一种基于多粒径碳材料的微生物燃料电池阳极及其制备方法和微生物燃料电池，属于微生物燃料电池技术领域。该电池阳极包括载体和负载在载体上的多粒径碳材料，其中，多粒径碳材料包括40‑60目活性碳、100‑200目活性碳和50‑100nm碳黑。该电池阳极具有高的比表面积、好的导电性和生物相容性，以及高的机械强度，其具有的三维空间孔隙结构，不仅可以增加微生物附着和传输电子的位点，还能有效降低电子转移电阻，促进胞外电子转移速率，从而提高了微生物燃料电池的输出功率。该电池阳极制备方法简单易操作，原料易得且成本低，是一种很有潜力的MFC阳极制备方法，为经济、高效的阳极制备提供了一种新思路。

技术领域

本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种基于多粒径碳材料的微生物燃料电池阳极及其制备方法和微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)是一种结合废水处理与微生物代谢活动进行能量回收的装置，通过微生物作用可以将污水中有机物所具有的化学能转化为电能，具有良好的应用前景。然而，MFC较低的功率输出和较高的成本支出限制了它的实际应用。MFC阳极既是电活性微生物附着的场所，也是MFC电子传输的中介体，是MFC装置的关键组成部分。阳极的导电性、比表面积和生物相容性是影响MFC功率输出的主要因素，其中，阳极的成本支出和机械强度也影响着MFC的推广应用。因此，开发一种具有实际应用价值、能提高阳极与微生物协同作用的新型阳极尤为重要。

碳基材料因其良好的生物相容性、导电性和低廉的价格成为阳极材料研究的主要对象。早期以石墨棒、碳布、柔性石墨片等碳基材料制备电极，但这类电极平滑的表面导致其比表面积较低，不利于微生物的附着。后来开始以石墨颗粒、活性炭和玻璃碳等碳基材料制备电极，虽然这些材料在一定程度上提高了电极的比表面积，但机械强度不足，限制了其大规模应用。为进一步提高比表面积和实际应用的可能性，近年来开始以超级电容器活性碳和碳纳米管等作为阳极材料，负载到碳布、碳毡以及不锈钢网上，制备复合阳极，但碳基材料经过处理后，显著的增加了阳极成本。在此基础上，有人开发以多孔生物碳作为阳极材料，同时引入导电聚合物来进一步提高电极导电性。复合阳极虽然提高了比表面积、增大了机械强度，但采用经过复杂工艺处理的碳基材料和引入导电聚合物，其成本也显著增加。因此，急需一种廉价易得且高效的微生物燃料电池阳极及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于多粒径碳材料的微生物燃料电池阳极；目的之二在于提供一种基于多粒径碳材料的微生物燃料电池阳极的制备方法；目的之三在于提供含有该电池阳极的微生物燃料电池。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种基于多粒径碳材料的微生物燃料电池阳极，包括载体和负载在载体上的多粒径碳材料，所述多粒径碳材料包括40-60目活性碳、100-200目活性碳和50-100nm碳黑。

优选的，所述40-60目活性碳、100-200目活性碳和50-100nm碳黑的质量比为10-15:1-1.5:1。

优选的，所述载体为不锈钢网、铜网或钛网中的一种。

2、所述的一种基于多粒径碳材料的微生物燃料电池阳极的制备方法，所述方法如下：

按质量配比称取40-60目活性碳、100-200目活性碳和50-100nm碳黑，混合后获得多粒径碳材料，向所述多粒径碳材料中加入粘接剂，混匀后再加入分散剂，再次混匀后加入造孔剂溶液，最后混匀获得粘稠状膏体，将所述粘稠状膏体均匀涂覆在去除了有机物和杂质的载体上，烘干后酸洗，再洗涤至中性，即可。

优选的，所述粘稠状膏体中多粒径碳材料、粘接剂、分散剂和造孔剂的质量体积比为10-20:1:20-40:1-2，mg:mg:μL:mg。