[发明专利]一种自支撑微生物燃料电池阳极及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自支撑微生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。所述方法为：将阳极载体浸入过渡金属离子盐和含氮有机物的混合溶液中，进行热吸附改性后煅烧，得到微生物燃料电池阳极。本发明制备方法简单可控，所制备的微生物燃料电池阳极具有粗糙的阳极表面、较大的比表面积、良好的生物相容性和优良的导电性，有利于微生物在阳极表面的附着，有效促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，同时能大幅度提高微生物燃料电池的功率密度。

技术领域

本发明属于微生物燃料电池领域，具体涉及一种自支撑微生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。

背景技术

微生物燃料电池(microbial fuel cells，MFCs)被认为是一种具有成本效益的能源技术，它通过使用具有电化学活性的微生物将底物中的有机能转换为电能。当废水的有机物作为底物时，MFCs具有产电和处理废水的双重能力，成为了环境治理和能源开发的研究热点，在世界范围内引起了极大的兴趣。MFCs 对废水的处理在阳极室中进行，各种废水包括：城市废水、禽畜粪便、工业废水、印染废水、垃圾渗滤液等都被应用于MFCs中，普遍报道的实际废水COD 去除率都在80％以上，具有很强的实际应用性。

尽管MFCs被认为是解决能源危机和环境问题的重要先进技术，但是与其他燃料电池相比，MFCs的功率密度仍有较大差距。MFCs的大规模应用仍需提高功率密度较低的问题。阳极作为微生物的附着地和废水处理场所，直接影响产电微生物的粘附和电子从微生物向阳极的细胞外电子转移，因此对MFCs的产电性能起决定性的影响。理想的阳极应具备比表面积大、生物相容性强、导电性良好、化学稳定性等。现有的MFCs阳极的研究主要致力于增加MFCs阳极的比表面积和产电微生物的附着点，对微生物与阳极组成之间相互作用的研究仍然非常缺乏。

尤等人采样直接煅烧法制备三维多孔的富氮石墨化碳支架作为MFCs的阳极(You.et al.Adv.Energy Mater.2017,7,1601364)，表现出优良的生物相容性性，但是负载该阳极的MFCs功率仍很低，未能有效突破MFCs大规模应用的阻碍。胡等人报道了碳化铁纳米颗粒分散在二维多孔石墨化碳中，制成 Nano-Fe₃C@2D-NC@CC作为微生物燃料电池的阳极材料(Hu.et al. Electrochimica Acta 2022,404,139618)，虽然MFCs的功率得到一定的提高，但该阳极仍存在制备工艺复杂的问题。因此，设计并研究具有潜力的微生物燃料电池阳极，解析阳极表面对MFCs阳极的性能影响，对提高微生物燃料电池的产电能力具有重要理论意义和应用价值。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种自支撑微生物燃料电池阳极的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种自支撑微生物燃料电池阳极。

本发明的微生物燃料电池阳极具有良好的导电性、高的生物相容性、较大的比表面积以及表面粗糙等特点，有利于微生物的附着，同时其特殊的化学组成和表面形貌具有促进生物膜的快速形成和有效提高微生物燃料电池的功率输出的特点。

本发明的再一目的在于提供上述一种自支撑微生物燃料电池阳极在微生物燃料电池中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种自支撑微生物燃料电池阳极的制备方法，包括以下步骤：

将阳极载体浸入过渡金属离子盐和有机物的混合溶液中，进行热吸附改性后，在氮气或惰性气体氛围下煅烧，得到微生物燃料电池阳极；

所述有机物为含氮有机物和葡萄糖中的至少一种。

优选地，所述阳极载体为碳布、碳毡和三聚氰胺海绵中的一种。

优选地，所述过渡金属离子盐和有机物的混合溶液中，过渡金属离子盐为乙酸铁、柠檬酸三铁、硝酸铁、乙酸锰和乙酸钴中的至少一种；更优选为乙酸铁、柠檬酸三铁和硝酸铁中的至少一种。