[发明专利]铁锰联合修饰材料的制备方法及其在微生物燃料电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源与环境工程技术领域，具体涉及铁锰联合修饰材料的制备方法及其在微生物燃料电池生物阴极中的应用。 

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，简称MFCs)是一种以微生物作为催化剂，可将有机物中的化学能转化成电能的先进能源技术。目前人类世界存在环境污染与资源短缺两大危机，MFCs由于在处理有机废物(包括有机废液和有机固体废弃物)的同时还能产电，实现废物处理和能源回收双赢，这一技术已成为环保领域研究的热点。 

传统的双室MFCs由阳极和阴极组成，中间被质子交换膜隔开。阳极室内的微生物在厌氧条件下代谢水中的有机质，产生电子和质子。电子传递到阳极，再经由外电路到达阴极；质子则穿过质子交换膜到达阴极室。通常阳极具有微生物，阴极则是非生物电极，属于半生物电池。空气中的氧(O₂)是最常见的阴极电子受体，因为O₂不仅标准电极电势较高(+1.229V)，而且廉价和容易获得。但由于氧还原反应的阴极存在0.3～0.45V的过电位，直接限制了MFCs的性能。因此，需要添加催化剂促进氧的还原。金属铂具有较高的电催化活性，通常用于修饰阴极，但由于铂价格昂贵，而且易引起催化剂中毒，限制了微生物燃料电池的工业化应用；其他催化材料如CoTMPP、FeCoTMPP、CoPc、二氧化锰和硫酸铁等，常被用作铂的替代材料进行研究。例如专利申请号为 200710195405.5和200810198453.4的专利申请中分别公开了以铁离子和二氧化锰为催化剂的非生物阴极。但这类非生物阴极仍存在运行不稳定、制作过程复杂和成本较高等缺陷，不宜大规模工业化应用。 

自从在海底沉积物型MFCs中发现微生物参与阴极反应后，对生物阴极反应的研究受到广泛关注。生物阴极是利用微生物参与反应，将电子传递给电子受体。与非生物阴极相比，它具有以下优势：首先，降低了MFCs的构建和运行成本，微生物本身能作为催化剂参与电子传递，故不须添加重金属催化材料和电子传递介体；其次，保证了MFCs的持续运行，避免铂等催化材料的中毒失效以及电子传递介体的补充问题。例如专利申请号为200810064117.0的专利申请中公开了以一种利用好氧微生物作为阴极催化剂的微生物燃料电池制备方法，但该专利属于无修饰的生物阴极。 

锰能以化合价的转化来催化氧化还原反应，其化合物已成为生物阴极的重要修饰材料之一。现已证实锰氧化物可作为石墨电极和微生物(如生盘纤发菌Leptrothrix discophora)之间的电子传递中间体。高价态的锰(MnO₂)能在电极表面发生电化学反应被还原成低价态锰离子(Mn²⁺)，而低价态锰离子(Mn²⁺)又能在微生物作用下，被空气中氧气氧化成高价态锰(MnO₂)。哈尔滨工业大学张杰院士与澳大利亚核科学与技术研究所Khoe教授各自在对地下水与饮用水的生物法除铁除锰的研究中发现：铁离子参与了锰离子的生物氧化过程；在无铁离子的条件下，生物氧化锰是失败的；铁离子对锰离子的生物氧化反应具有显著的催化作用。这表明，铁锰联合修饰生物阴极中，铁离子对锰离子的生物氧化反应会具有显著的催化或者促进作用。另外，唐致远等研究发现，以MnO₂作为电极材料，化学掺杂Fe³⁺有利于提高MnO₂电极的放电性能和循环性。这表明，在铁锰联合修饰生物阴极中，铁离子对锰离子的电化学还原反应也会有促进作用。

发明内容

本发明的目的在于利用铁锰联合修饰生物阴极材料代替贵金属等修饰的非生物阴极应用于微生物燃料电池中，降低了微生物燃料电池的造价，大大提高了微生物燃料电池在实际中应用的可能性。另外，利用铁锰联合修饰生物阴极材料代替无修饰或者单独锰修饰的生物阴极应用于微生物燃料电池中，缩短了生物阴极微生物燃料电池的启动时间，提高了生物阴极微生物燃料电池的能量密度以及运行稳定性。 

本发明的目的通过以下技术方案予以实现： 

提供铁锰联合修饰材料在微生物燃料电池生物阴极方面的应用，所述应用是用铁盐和锰盐溶液浸泡导电碳基底，并用高温热解法将其氧化物修饰到导电碳基底表面，然后接种微生物制成微生物燃料电池专用的生物阴极。 

所述的铁锰联合修饰材料的制备方法包括以下步骤： 

(1)用铁盐和锰盐的混合溶液浸泡或者淋洗导电基体材料得到导电材料；