[发明专利]改性碳化纤维素纸板电极材料及微生物燃料电池

说明书

本发明实施例公开了一种改性碳化纤维素纸板电极材料的制备方法，以纤维素纸板为原料，经机械粉碎与清洗，掺入改性化合物材料(如磷酸锰粉末)后进行超声处理并碳化，产物经粉碎后过筛，最终获得改性碳化纤维素纸板电极材料。本发明实施例还公开了上述制备方法制得的改性碳化纤维素纸板电极材料，及将所述电极材料填入阴极室或阳极室腔体作为电极材料的微生物燃料电池。所述改性纤维素纸板碳化材料原料易得、成本低廉，制备方法简单，填充密度低，适合推广使用；所述电极材料用于制成微生物燃料电池，其作为电极可为微生物提供优良的附着位置，提高了阳极氧化效率和阴极的还原效率，加速电子的传递速率，进而提高电池的产电性能。

技术领域

本发明属于生物燃料电池技术领域，特别涉及一种改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法。本发明还提供了使用该制备方法制得的电极材料，以及使用该电极材料作为电极的微生物燃料电池。

背景技术

由于化石燃料的短缺，以及由化石燃料的燃烧导致日益严峻的环境污染和温室效应，迫使人们寻找可再生的清洁能源以替代化石能源，并减少环境污染问题。正在兴起的微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)，是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，可在处理废水的同时产生电能，为解决环境问题和能源问题提供了一条新途径，具有极大的发展潜力和广阔的发展前景。

当前微生物燃料电池仍具有输出功率密度低，原料成本高等问题，限制了其广泛应用。作为电活性微生物生长和电子转移场所，电极材料对电极性能具有非常重要的影响，尽管目前可选的电极材料较多，如石墨、碳毡、碳纸、石墨刷、网状玻璃碳等，但它们普遍存在性能相对较差、制备方法复杂、成本高等问题，因此它们的规模化应用受到一定的限制。因此，亟待开发一种成本低廉、制备简单且具有高性能的电极材料，以满足微生物燃料电池进一步推广使用需要。

发明内容

针对上述现有电极材料普遍存在的性能相对较差、制备方法复杂、成本高等技术问题，本发明提供了改性碳化纤维素纸板电极材料及制备方法，制得的改性碳化纤维素纸板电极材料原料易得、成本低廉，且制备方法简单，填充密度低，适合推广使用。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种改性碳化纤维素纸板电极材料制备方法，包括步骤如下：

1.制得纤维素纸板原料，包括：将纤维素纸板机械破碎为纸屑，加水浸泡3～4h后，取出纸屑，抽滤冲洗3～5次，将产物在70～100℃下恒温干燥4～6h，得到所述纤维素纸板原料；

2.制得改性溶液，包括：将改性化合物研磨为粉末，所述改性化合物为Mn₃(PO₄)₂·3H₂O、KOH、Mn(NO₃)₂、K₃PO₄·3H₂O、MnO₂中的任意一种，将得到的粉末按固液质量比为0.1～1加入去离子水中，搅拌至完全溶解，得到所述改性溶液；

3.制得改性纤维素纸板，包括：将所述纤维素纸板原料置于所述改性溶液中浸泡10～20min，在20℃下进行0.5h超声清洗，将产物抽滤后再在70～100℃下恒温干燥4～6h，干燥后得到所述改性纤维素纸板；

4.制得改性碳化纤维素纸板，包括：将所述改性纤维素纸板放入马弗炉中进行碳化，使用氮气作为保护气，其中：先以8～10℃/min速率升温至100℃进行预碳化，预碳化时间为30～40min；再以5℃/min速率升温至1000～1400℃进行保温碳化，保温碳化时间为1～1.5h；自然降温至室温，得到所述改性碳化纤维素纸板；

5.制得改性碳化纤维素纸板电极材料，包括：将所述改性碳化纤维素纸板研磨粉碎后，过1万～1800万目标准筛，得到的粉末产物即为所述改性碳化纤维素纸板电极材料。