[发明专利]一种三维孔状碳泡沫支架电极的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池技术领域，特别涉及一种三维孔状碳泡沫支架电极的制备方法及应用。

背景技术

随着全球气候变暖和化石燃料耗竭等问题的日益严峻，可替代能源和可再生能源的研究受到越来越多的重视。近年来，一种能直接将化学能转化为电能的发电装置——微生物燃料电池(MFC)，以其特有的优点，逐渐成为新兴能源领域的研究热点。在MFC的阳极表面，水溶液或污泥中的有机物，如葡萄糖、醋酸、多糖或其他可降解的有机物等在微生物的作用下，产生二氧化碳、质子和电子。从MFC的产电机理来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，同时对电子从微生物向阳极的传递产生影响，阳极的优化对提高MFC产电性能有至关重要的影响。由于阳极直接参与微生物催化的燃料氧化反应，而且吸附在电极上的微生物对产电量起主要作用，所以阳极材料的改进以及表面积的提高有利于更多的微生物吸附到电极上，例如，通过在阳极上加入聚阴离子或铁、锰元素，都能使MFC更高效地产电。一直以来，功率问题制约着MFC的发展，选择合适的阳极材料对提高MFC的产电能力具有重要的理论意义与应用价值。

但是，现有MFC的阳极都使用碳毡电极作为MFC的阳极，其缺点在于：MFC的最大输出电流密度和最大输出功率密度不高，而且碳毡电极的材料来源不广、价格较高，电极的稳定性及生物相容性较差，不利于MFC的商业化大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维孔状碳泡沫支架电极的制备方法，通过该方法制得的电极可有效提高微生物燃料电池的最大输出电流密度和最大输出功率密度，且前驱体材料来源广泛、价格低廉、稳定性较高。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制得的三维孔状碳泡沫支架电极的应用。

本发明的技术方案为：一种三维孔状碳泡沫支架电极的制备方法，包括下述步骤：

(1)制备前驱体溶液：采用聚丙烯腈(PAN)为溶质，二甲基亚砜(DMSO)为溶剂，在DMSO中逐步加入PAN，然后通过超声振动并搅拌，直至PAN完全溶解并均匀分散，得到的聚丙烯腈二甲基亚砜溶液(PAN-DMSO)为前驱体溶液；前驱体溶液中，PAN的质量分数为2～12％；

(2)制备前驱体：采用溶液蒸发法，将步骤(1)得到的前驱体溶液倒入表面皿，进行蒸发，得到的固体为前驱体；

(3)制备微孔PAN发泡材料：在高压釜中采用超临界二氧化碳作为物理发泡剂对步骤(2)得到的前驱体进行发泡，得到微孔PAN发泡材料；

(4)制备电极：将微孔PAN发泡材料放入管式炉中进行煅烧，形成电极材料；将电极材料裁制后，再采用钛丝进行固定，形成三维孔状碳泡沫支架电极。

所述步骤(1)中，取50mL DMSO时，所加入PAN的质量为1.0～6.0g。

所述步骤(1)中，在DMSO中逐步加入PAN时，每分钟加入的量控制在0.2～0.25g，超声振动的温度为35～45℃。

所述步骤(2)中，对前驱体溶液进行蒸发时，蒸发温度为50～70℃。

所述步骤(3)中，对前驱体进行发泡时，工艺条件为：饱和压力为18～22MPa，饱和时间为4～5h，饱和温度为180～200℃，泄压速率为50～70MPas^-1。

所述步骤(4)中，将微孔PAN发泡材料进行煅烧时，首先将微孔PAN发泡材料升温至220～240℃在空气气氛下煅烧4～6h，接着升温至450～500℃在氮气气氛下煅烧4～5h，最后升温至1000～1100℃在氮气气氛下煅烧4～5h，升温速率均为5～10℃/min。

通过上述方法制得的三维孔状碳泡沫支架电极用作MFC的阳极。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本三维孔状碳泡沫支架电极的制备方法中，利用PAN的来源广泛、价格低廉，可有效降低微生物燃料电池的生产成本，为MFC的商业化大规模生产和推广打下良好的基础。

通过本三维孔状碳泡沫支架电极的制备方法制得的电极，将其作为阳极应用于微生物燃料电池后，与传统碳毡电极相比，三维孔状碳泡沫支架电极稳定性强，生物相容性好，大大提高了MFC的最大输出电流密度和最大输出功率密度。

附图说明

图1A是本发明制得电极材料的扫描电子显微镜照片。

图1B是图1A的方框内局部放大图。

图2是本三维孔状碳泡沫支架电极作为阳极的单室微生物燃料电池的结构示意图。

图3是本发明实施例1和对比例微生物燃料电池的电流密度及功率密度对比曲线图。