[发明专利]一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种电气石-聚苯胺复合电极的制备方法及其应用。

背景技术

由于人们日常生活以及工业发展的需要，消耗大量的能源。我国现在是以煤炭和石油等不可再生的传统能源为主要能源的国家，煤炭和石油等化石燃料在过去的一个世纪支撑着工业的发展，但是化石燃料不能长久维持整个世界的可持续发展。而且随着我国经济的发展和消费的增长，生活垃圾和工业废物废水产生了大量的有机废物，引起的环境污染问题日益严重。同时人们生活的环境也受到严重了威胁，尤其是水的污染。长期以来，人们利用传统有机废水处理技术作为污水处理的主要手段，如活性污泥工艺和生物膜工艺。但是这些技术去除有机物的同时耗费能源。事实上，有机废水中含有大量的化学能，如果能把有机废水中的能量转化出来，就可以到达即处理废水又解决能源危机的问题。

在近几十年中，从我们的地球上大量废物中回收能源是一项我们一直重视的研究，其研究可能同时解决能源问题和环境问题。其中微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell）作为一种新型的污水处理技术，在去除有机物的同时可以产生电能，为解决环境问题和能源问题提供了一条新途径。

微生物燃料电池也有其一些缺点，因此限制了其在污水处理中的实际应用。微生物燃料电池主要由阳极室、阴极室和中间的隔膜构成，在阳极室依靠微生物氧化有机物产生质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，而电子通过外电路到达阴极，在阴极上质子、电子以及电子受体（氧气、硝酸氮等）发生反应。而阴极的催化效率是限制微生物燃料电池产电性能的主要影响之一。目前作为阴极催化剂的材料主要是Pt等贵金属，价格十分昂贵，所以寻找代替Pt或者是催化效率大于Pt的阴极催化剂是研究的重点之一。

Bruce E.Logan等在阴极利用微生物作为阴极的催化剂提高了微生物燃料电池的产电性能，其产电性效率要优于Pt修饰的电极。微生物在充足的营养条件下可以持续的保持高的活性，因此在生物阴极可以保持高的催化效率，应用微生物做催化剂使得微生物燃料电池的成本大大降低，同时也促进了微生物燃料电池的实际应用。

电气石是一种以含硼为特征的铝、钠、铁、钙、镁的环状硅酸盐晶体矿物。具有显著的热电性、压电性和自发电极性。研究认为电气石具有自发调节水体的氧化还原电位和pH值；降低水分子缔合度；增加水的生物膜透过率；促进细胞的新陈代谢等功能。而且电气石具有较高的物理化学稳定性，可重复利用，不产生二次污染。Ni等研究表明电气石能刺激发酵微生物早期滞后阶段的生长，并且增加后期发酵阶段的代谢产量。张斯等研究表明电气石可以提高固定在菌丝小球上的苯胺降解细菌的数量和活性。聚苯胺作为一种导电高分子材料，其原料便宜，合成简便，耐高温及抗氧化性能良好，有较高的电导和潜在的溶液、熔融加工可能性，易成膜且膜柔软、坚韧等优点。因此                本专利利用电气石对微生物生长的促进作用和聚苯胺导电性来修饰电极，可以提高电极的生物适应性和导电性，进而提高微生物的活性，提高微生物在微生物燃料电池阴极的催化作用。

阴极的催化性是限制微生物燃料电池的主要因素之一，目前在阴极室主要以氧气作为阴极的电子受体，而在没有催化剂的条件下氧气的还原效率很低，而使用的催化剂主要是Pt等贵金属，该催化剂具有价格昂贵、容易失效、需要经常替换等缺点,增加了微生物燃料电池的运行成本，限制了非生物阴极微生物燃料电池的进一步发展。而生物阴极对氧气有很高的催化效率，同时微生物可以连续不断的生长，可以持续保持阴极的催化效率，同时微生物还可以降解污水中的污染物。

发明内容

本发明目的是提供电气石/聚苯胺复合电极的制备方法，以及该材料作为微生物燃料电池生物阴极的电极材料提高微生物燃料电池的产电性能。该材料作为生物阴极的电极材料可以为微生物提供良好的生长环境，使该电极上附着更多的微生物，保持生物阴极微生物的活性，提高生物阴极催化阴极反应的效率。

电气石/聚苯胺复合电极：电气石/聚苯胺修饰的石墨电极，在石墨电极表面形成了具有电气石和聚苯胺的复合物，使其电极表面变得更为粗糙，增大了电极的表面积。电气石/聚苯胺修饰的电极相比聚苯胺修饰的电极含有更多的元素,有B,Na,Al,S,K,Ti,Cr,Fe，进一步说明了石墨电极上附着有电气石颗粒。此外附着的电气石颗粒，对电极周围微生物的生长有促进作用，能够提高微生物的活性，促进微生物燃料电池生物阴极的催化作用。