[发明专利]一种碳基生物阳极、其制备方法及微生物燃料电池

说明书

本发明公开了一种碳基生物阳极、其制备方法及微生物燃料电池，属于微生物燃料电池技术领域。所述制备方法包括：1）将剑麻纤维洗净剪成小段，对剑麻纤维小段进行酸化处理；2）将酸化处理后的剑麻纤维与铁源催化剂混合，研磨，炭化，得到纤维状炭材料；3）将得到的纤维状炭材料用盐酸溶液溶解掉其中的含铁物质，清洗，球磨，得到黑色粉末状样品；4）将所得的黑色粉末状样品溶于蒸馏水中，搅拌均匀后转移至高压反应釜内进行水热反应，反应完成即得到碳基生物阳极。该碳基生物阳极具有良好的生物相容性，同时具有较大的比表面积与丰富的孔隙结构，且该生物阳极兼具良好的导电性，可为微生物的附着和电子的传递提供理想的载体。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种碳基生物阳极、其制备方法及微生物燃料电池。

背景技术

微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物降解有机物，从而把储存在有机物中的化学能直接转化成电能的装置。因此，微生物燃料电池是一种将解决环境污染问题与生产新能源互相结合的新型电化学装置，它既能处理污水，又能在处理污水的过程中通过降解污水中的有机物将其转化产生电能。而阳极电化学活性微生物特征及催化活性是影响微生物燃料电池产电效率的关键因素之一。

虽然微生物燃料电池传统的碳电极材料（阳极材料）具有较好的导电性和化学稳定性，但这些材料可为微生物提供的附着位点少，对提高电极材料表面的电化学活性有限。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种碳基生物阳极、其制备方法及微生物燃料电池，该碳基生物阳极具有良好的生物相容性，同时具有较大的比表面积与丰富的孔隙结构，适宜微生物的附着生长，同时该生物阳极兼具良好的导电性，可为微生物的附着和电子的传递提供理想的载体，同时也为微生物的生长提供了更良好的环境。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种碳基生物阳极的制备方法，包括如下步骤：

（1）将剑麻纤维揉搓、洗净后剪成1-2cm长的小段，再对剪碎后的剑麻纤维小段使用盐酸溶液进行酸化处理，后将酸化处理后的剑麻纤维洗涤，干燥，备用；

（2）将经酸化处理后的剑麻纤维与一定质量的铁源催化剂混合后利用球磨机研磨处理1-2h；研磨处理后的混合物经洗涤干燥处理后放入管式炉中在惰性气氛下炭化2-2.5h，炭化温度为700-1200℃，升温速率为3-4℃/min，待炉温冷却至室温后，得到纤维状炭材料；

（3）将步骤（2）所得的纤维状炭材料用3-5wt%盐酸溶液溶解掉其中的含铁物质，再依次使用去离子水与乙醇进行反复冲洗直至中性；将冲洗至中性的纤维状炭材料放入球磨机中球磨粉碎5-6h，过筛，制得黑色粉末状样品；

（4）将步骤（3）所得的黑色粉末状样品溶于适量蒸馏水中，搅拌均匀后转移至高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中，将反应釜转移至鼓风干燥箱中，在120-160℃条件下水热5-6h，将反应结束后得到的样品经过过滤、洗净、烘干后得到剑麻纤维活性炭黑色粉末样品，即为碳基生物阳极。

优选的，步骤（1）中酸化处理过程中的盐酸溶液浓度为5-10wt%。采用这一浓度的酸液进行酸处理的主要作用是利用强酸将剑麻纤维中的无机残渣处理掉，同时可对炭化前的剑麻纤维进行预处理，提高炭化过程中剑麻纤维活性炭的造孔率，进而为微生物提供更多的附着位点。

优选的，步骤（2）中所述的铁源催化剂为氧化亚铁、三氧化二铁、四氧化三铁中的一种或者两种以上。将经酸化处理后的剑麻纤维与一定质量的铁源催化剂混合后利用球磨机研磨处理的主要作用是利用铁源催化剂降低剑麻纤维炭化时所需的石墨化温度，以提高所得的剑麻纤维活性炭石墨化程度，使得炭化后得到石墨化程度与孔隙率完美平衡的多孔剑麻纤维活性炭生物阳极，进一步提高生物阳极的导电性，有利于后续电化学反应过程中的电子传递。