本發(fā)明涉及微生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于三維篩管碳結(jié)構(gòu)作為陽極的高性能微生物燃料電池。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，工廠以及人口的迅猛增加，導(dǎo)致生活污水和工業(yè)廢水的急劇排放增加，嚴(yán)重的水資源污染，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人民的生活環(huán)境和健康。傳統(tǒng)的污水處理工業(yè)需要耗費的成本高，且占地面積大。事實上，有機污染廢水中蘊含著大量的能量，如果能把這部分的能量回收，將具有巨大的社會和經(jīng)濟效益。微生物燃料電池就是利用微生物（如各種細菌）來催化氧化污水中的有機物，把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的新型裝置。他在處理凈化污水的同時產(chǎn)生電能，是21世紀(jì)具有重要應(yīng)用前景的技術(shù)。然而，制約微生物燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一就是其較低的輸出功率密度、能量密度和昂貴的制造成本。

陽極材料作為微生物催化反應(yīng)界面,其生物相容性、比表面積、導(dǎo)電性及化學(xué)穩(wěn)定性等直接影響微生物在陽極上的吸附生長,微生物傳遞電子能力、電極阻抗，和電池輸出功率密度等。普遍使用的陽極材料有碳材料，如碳紙，碳氈、石墨棒、石墨片、碳布、泡沫碳、碳刷、石墨泡沫等等。主要是因為碳材料具有良好的穩(wěn)定性，優(yōu)越的導(dǎo)電性以及非常好的生物相容性。在眾多的碳材料中，又可以分為一維、二維和三維碳，其中三維的碳材料具有較大的比表面積，能容納更多的微生物附著生長，被認(rèn)為屬于新一代理想的微生物燃料電池陽極材料。

目前已經(jīng)開發(fā)的微生物燃料電池三維材料主要有使用化學(xué)氣相沉積，電沉積，冷凍干燥等方法構(gòu)建的三維石墨烯基電極材料等，由于高的導(dǎo)電性，多孔的結(jié)構(gòu)容納微生物生長等原因，這些三維碳基材料應(yīng)用在微生物燃料電池陽極均能獲得較好的功率和能量密度。但是目前普遍存在的問題是石墨烯的造價及成本高，使用的儀器復(fù)雜，難以大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于三維篩管碳結(jié)構(gòu)作為陽極的高性能微生物燃料電池，具有制備方法簡單，容易放大，環(huán)保及成本低，產(chǎn)電功率密度高等特點。

本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明公開了一種基于三維篩管碳結(jié)構(gòu)作為陽極的高性能微生物燃料電池，包括陰極和陽極，所述陽極為三維篩管結(jié)構(gòu)的碳，所述三維篩管結(jié)構(gòu)為三維餅狀篩管結(jié)構(gòu)或者環(huán)狀篩管結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明中，使用三維篩管結(jié)構(gòu)的碳作為陽極制備得到的雙室微生物燃料電池具有輸出功率密度和電流密度高的特點，可獲得（59.95W/m³相對于陽極室體積）的穩(wěn)態(tài)輸出功率密度和173.11A/m³的最大電流密度，該輸出功率密度和電流密度分別是碳紙做為陽極的微生物燃料電池（分別是18.48W/m³和42.97 A/m³相對于陽極室體積）的3.2倍和4倍。三維篩管結(jié)構(gòu)為三維餅狀篩管結(jié)構(gòu)或者環(huán)狀篩管結(jié)構(gòu)，由天然蜂巢狀的多孔篩管結(jié)構(gòu)貫通兩個橫截面，能保證微生物的自由進出以及傳質(zhì)作用的順利進行，從而大大提高電池的功率密度和電流密度。

進一步地，所述三維篩管結(jié)構(gòu)的碳由農(nóng)業(yè)固體廢棄物木薯秸稈碳化得到，制備過程簡單，容易放大，原料屬于生物質(zhì)能源的回收以及固體廢棄物資源化，對環(huán)境保護，污染物綜合利用，廢物資源化，以及新能源的開發(fā)等多個領(lǐng)域都具有非常好的社會意義和經(jīng)濟價值。

進一步地，所述三維篩管結(jié)構(gòu)的碳是通過以下方法制備的：利用天然木薯秸稈作為原料，厭氧氣氛中先在150℃下煅燒1.5小時，再在750℃下碳化1小時，得到具有三維篩管結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。

進一步地，所述微生物燃料電池為三明治式雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)，包括陰極室和陽極室和設(shè)置在陰極室和陽極室之間的反應(yīng)器。

進一步地，所述微生物燃料電池還包括陽極液，所述陽極液是通過以下方法制備的：取10.0g碳酸氫鈉、11.2g磷酸氫二鈉、10.0g無水葡萄糖和5g酵母浸膏的混合物溶在燒杯中，再加入0.8707gHNQ，攪拌均勻后，將溶液定容在1000mL定容瓶中。

進一步地，所述微生物燃料電池還包括陰極液，所述陰極液含有碳酸氫鈉10.0g/L、磷酸氫二鈉11.2g/L和50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]。

本發(fā)明一種基于三維篩管碳結(jié)構(gòu)作為陽極的高性能微生物燃料電池，具有如下的有益效果：本法發(fā)明提出了一種基于木薯秸稈制備具有天然篩管結(jié)構(gòu)的三維碳，從而開發(fā)得到基于這種三維陽極高效微生物燃料電池，具有制備方法簡單，容易放大，環(huán)保及成本低，產(chǎn)電功率密度高等特點，對農(nóng)業(yè)固體廢棄物的利用和資源化，廢水凈化和生物質(zhì)能回收以及新能源的發(fā)展等多個領(lǐng)域都具有深遠的意義和良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

附圖1為三維篩管碳結(jié)構(gòu)的SEM圖；

附圖2為以三維餅狀篩管結(jié)構(gòu)為陽極的微生物燃料電池的功率密度曲線和極化曲線（以陽極室的體積計算）；

附圖3為以環(huán)狀篩管結(jié)構(gòu)為陽極的微生物燃料電池的功率密度曲線和極化曲線（以陽極室的體積計算）；

附圖4為以碳紙為陽極的微生物燃料電池的功率密度曲線和極化曲線（以陽極室的體積計算）。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明產(chǎn)品作進一步詳細的說明。

本發(fā)明公開了一種基于三維篩管碳結(jié)構(gòu)作為陽極的高性能微生物燃料電池，一種基于三維篩管碳結(jié)構(gòu)作為陽極的高性能微生物燃料電池，包括陰極和陽極，所述陽極為三維篩管結(jié)構(gòu)的碳，所述三維篩管結(jié)構(gòu)為三維餅狀篩管結(jié)構(gòu)或者環(huán)狀篩管結(jié)構(gòu)。 所述三維篩管結(jié)構(gòu)的碳由農(nóng)業(yè)固體廢棄物木薯秸稈碳化得到。所述三維篩管結(jié)構(gòu)的碳是通過以下方法制備的：利用天然木薯秸稈作為原料，厭氧氣氛中先在150℃下煅燒1.5小時，再在750℃下碳化1小時，得到具有三維篩管結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。最終得到的三維篩管結(jié)構(gòu)的多孔碳材料的SEM圖如圖1所示。

在圖1中，：a 截面圖，b剖面圖。從圖1的SEM圖可以清晰的觀察到，碳化之后的木薯秸稈保留了原來的篩管結(jié)構(gòu)，這些篩管結(jié)構(gòu)的管徑約有20微米，而普通的微生物粗約為大小0.5×1～3微米，因此這些天然篩管可以允許微生物的自由進出和附著，并使得傳質(zhì)作用能順利進行。

進一步地，所述微生物燃料電池為三明治式雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)，包括陰極室、陽極室和陽離子交換膜。

進一步地，所述微生物燃料電池還包括陽極液，所述陽極液是通過以下方法制備的：取10.0g碳酸氫鈉、11.2g磷酸氫二鈉、10.0g無水葡萄糖和5g酵母浸膏的混合物溶在燒杯中，再加入0.8707gHNQ，攪拌均勻后，將溶液定容在1000mL定容瓶中。

進一步地，所述微生物燃料電池還包括陰極液，所述陰極液含有碳酸氫鈉10.0g/L、磷酸氫二鈉11.2g/L和50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]

為了進一步對本發(fā)明的微生物燃料電池進行研究，分別通過實施例1和實施例2對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體的闡述。

實施例1

實施例1是以三維餅狀篩管結(jié)構(gòu)為陽極的微生物燃料電池，其具體制備、組裝和測試方法如下：

第一步、電極材料三維餅狀篩管結(jié)構(gòu)碳的制備

利用天然木薯秸稈作為原料，厭氧氣氛中先在150℃下煅燒1.5小時，再在750℃下碳化1小時，得到具有天然篩管結(jié)構(gòu)的的多孔碳材料。

第二步、陽極和陰極的制作

把第一步得到的碳柱切成長2cm的餅狀結(jié)構(gòu)。然后接上銅線，在接口處涂上環(huán)氧樹脂作為陽極；陰極使用商業(yè)碳紙，面積是2cm*2cm

第三步、微生物燃料電池的組裝運行及測試

陽極液：取10.0g碳酸氫鈉、11.2g磷酸氫二鈉、10.0g無水葡萄糖和5g酵母浸膏的混合物溶在燒杯中，再加入0.8707gHNQ，攪拌均勻后，將溶液定容在1000mL定容瓶中，備用。

陰極液：含有碳酸氫鈉10.0g/L、磷酸氫二鈉11.2g/L和50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]。

雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)采用三明治式結(jié)構(gòu)，陰極室和陽極室的體積均為20mL。

電池的啟動和功率密度極化曲線的測定：取18mL的陽極液放入反應(yīng)器中，通入15分鐘的高純氮氣，通完氣體后再取2mL大腸桿菌培養(yǎng)液放入反應(yīng)器中，用膠塞塞住反應(yīng)器上端的開口，使得反應(yīng)器處于密封的狀態(tài)。待在電池的開路電壓穩(wěn)定后，向電池依次負(fù)載不同的電阻，系統(tǒng)自動記錄不同負(fù)載電阻時輸出的電壓值、功率密度和電流密度。具體測試結(jié)果如圖2所示。

實施例2

實施例2以環(huán)狀篩管結(jié)構(gòu)為陽極的微生物燃料電池，其具體制備、組裝和測試方法如下：

第一步、電極材料環(huán)狀篩管結(jié)構(gòu)碳的制備，與實施例1相同。

第二步、陽極和陰極的制作

把得到的碳柱切成長2cm的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，去除中間較為疏松的芯，得到環(huán)狀結(jié)構(gòu)三維碳。然后接上銅線，在接口處涂上環(huán)氧樹脂，作為陽極。

陰極的制作與實施例1相同。

第三步、微生物燃料電池的組裝運行及測試，與實施例1相同。具體測試結(jié)果如圖3所示。

同時，為了評估本發(fā)明所述微生物燃料電池與現(xiàn)有技術(shù)的差異，以商業(yè)化碳紙作為陽極，制作對比例1。

對比例1

以商業(yè)化碳紙作為陽極的微生物燃料電池的制作、測試方法如下：

第一步、陽極的制作，使用商業(yè)碳紙，面積是2cm*2cm。

第二步、陰極的制作，與實施例1的陰極制作相同。

第三步、微生物燃料電池的組裝運行及測試，與實施例1相同。具體測試結(jié)果如圖4所示。

從圖2可以看到，使用餅狀三維碳作為陽極組裝得到的雙室微生物燃料電池可獲得59.95W/m^3（（相對于陽極室體積）的穩(wěn)態(tài)輸出功率密度和173.11A/m³的最大電流密度，該輸出功率密度和電流密度分別是碳紙做為陽極的微生物燃料電池（如圖4，分別是18.48W/m³和42.97 A/m³）的3.2倍和4倍。

從圖3可以看到，使用環(huán)狀結(jié)構(gòu)三維碳作為陽極組裝得到的雙室微生物燃料電池也可獲得54.60W/m³（相對于陽極室體積）的穩(wěn)態(tài)輸出功率密度和134.92A/m³的最大電流密度，該輸出功率密度和電流密度分別是碳紙做為陽極的微生物燃料電池（如圖4，分別是18.48W/m³和42.97 A/m³）的2.95倍和3.14倍。

因此，本法發(fā)明提出了一種基于木薯秸稈制備具有天然篩管結(jié)構(gòu)的三維碳，從而開發(fā)得到基于這種三維陽極高效微生物燃料電池，具有制備方法簡單，容易放大，環(huán)保及成本低，產(chǎn)電功率密度高等特點，對農(nóng)業(yè)固體廢棄物的利用和資源化，廢水凈化和生物質(zhì)能回收以及新能源的發(fā)展等多個領(lǐng)域都具有深遠的意義和良好的應(yīng)用前景。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制；凡本行業(yè)的普通技術(shù)人員均可按說明書附圖所示和以上所述而順暢地實施本發(fā)明；但是，凡熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，可利用以上所揭示的技術(shù)內(nèi)容而作出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實施例；同時，凡依據(jù)本發(fā)明的實質(zhì)技術(shù)對以上實施例所作的任何等同變化的更動、修飾與演變等，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的保護范圍之內(nèi)。