[发明专利]一种高输出电压和功率的海底沉积层微生物燃料电池的构建方法

说明书

技术领域

本发明属于微生物燃料电池(MFC)技术领域，具体涉及一种高输出电压和功率的海底沉积层微生物燃料电池的构建方法。

背景技术

微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是近年来刚刚兴起的一种绿色产能技术，它以微生物作为催化剂，直接将化学能转化为电能^[1]。微生物燃料电池的原料来源广泛，在常温常压下就可以工作。Park和Rabaey指出利用微生物燃料电池可将废水或污泥中的有机质降解转化为电能，同时降低污水或污泥中的COD值^[2，3]。在微生物电池中，微生物将复杂的有机物和无机物分解，然后将产生的电子通过阳极传递到外电路，再传递到阴极，形成电流^[4]。

海底沉积层微生物燃料电池(Benthic microbial fuel cell，简称BMFC)是一种特殊的微生物燃料电池。BMFC主要通过海底沉积物中细菌的新陈代谢，将海泥中有机物和无机物的化学能转化电能。BMFC结构的阳极部分(也可称作负极)主要是将连有导线的阳极插在海底沉积物中，阴极部分(也可称作正极)是将连有导线的阴极固定在海水当中，阴极和阳极之间的外电路串有负载电阻^[5，6](如图2)。

目前，海底传感器和海底小型仪器的运行主要是通过传统电池供电，但是由于传统电池无法长时间持续供电，极大的限制了这类海洋仪器的应用。BMFC具有持续供电能力强，绿色环保等特点，如果可以取代传统电池在海底仪器中的应用，则可以延长仪器的海底工作时间，提高其工作能力。

BMFC提供了一种可持续利用的新型绿色能源。但一般情况下，BMFC的开路电位在0.7～0.8V左右，工作输出电压偏低(约0.35～0.5V)和输出功率偏低(一般小于10mW/m²阳极面积)成为限制了BMFC广泛应用的因素。所以，如何提高输出电压和输出功率成为了人们的研究目^[7，8，9]。

由于海水和海底沉积层很难改变，通过电极材料改性提高BMFC的功率密度是比较有潜力的方法。一方面，BMFC的输出电压比较低(电池的正常工作电压在0.35～0.5V左右)，而且在海洋环境中，BMFC无法串联升压，只能并联，而并联不能升压。另一方面，低电压无法满足仪器的需要。为了利用海底沉积层微生物燃料电池驱动仪器的升压，人们需要设计特殊的升压装置，在低输入电压条件下，既能升高电压又具有较高的能量转化率，如果提高BMFC的输出电压，将非常有益于BMFC升压器件的设计。本发明提供了一种高输出电压和功率的海底沉积层微生物燃料电池的构建方法，该BMFC采用了一种电解沉积氧化铁制备的改性电极作为阳极，其输出电压和输出功率都有很大的提高。电化学测试表明：该氧化铁改性阳极电位达到了-775mV左右，改性阳极具有高的电化学动力学活性，电池开路电位高达1.0～1.1V，最大输出功率密度提高17倍，构建的BMFC稳定性增加，抗极化性能提高。

发明内容

本发明提供了一种高输出电压和功率的海底沉积层微生物燃料电池的构建方法。本发明通过以下技术方案来实现：

第一步：电解沉积制备氧化铁改性阳极

取一定量FeSO₄·7H₂O、FeCl₂·4H₂O、FeCl₃·6H₂O等铁盐，加入烧杯中，加热至20℃～80℃快速搅拌至铁盐完全溶解，冷却至室温，把溶液转移到容量瓶中。

将不同形状(棒状、圆盘状、多孔状、树枝状、毛刷状)导电基体(如石墨、碳棒等碳基材料或不锈钢、铜合金、镍合金、钛合金等耐腐蚀金属材料)用100、240、360、600、800目砂纸依次打磨，然后在乙醇中超声10～60min，再在蒸馏水中超声10～60min，取出干燥，将导电基体与导线连接，导线与基体连接处用环氧树脂密封。

氧化铁改性阳极的制备：将导电基体作为工作电极，以棒状石墨电极为辅助电极，插入配置好的铁盐溶液中，外接直流恒压电源，工作电极接“-”端，辅助电极接“+”端，组成一个闭合电路(如图1)。调节直流恒压电源的电流示数(0.1～1.5A)，通电反应10～60min，取出用蒸馏水洗涤，在空气中干燥。

第二步：海底沉积层微生物燃料电池构建