一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種生物燃料電池，特別是一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界人口數(shù)的持續(xù)增加，人類日益受到能源資源不足以及環(huán)境惡化的影響，因此開發(fā)新能源得到廣泛的重視，而利用可再生的生物質(zhì)能發(fā)電是一種有效的手段。微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFC)作為一種利用微生物代謝產(chǎn)生電能的新方法，近年來受到更多人們的關(guān)注。它是一種利用微生物作為催化劑將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，微生物可以代謝有機物質(zhì)，同時產(chǎn)生電能。但是，現(xiàn)有的微生物燃料電池普遍具有產(chǎn)電量低的缺點；同時現(xiàn)有技術(shù)中的陽極表面積一般較小，不利于微生物的大量附著，且催化效能適用面窄;現(xiàn)有技術(shù)中多采用鉑作為陰極催化劑，雖然催化效果好，但是過于昂貴。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型的實用新型目的在于:針對上述存在的問題，提供一種電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，從而提高電量產(chǎn)量，并降低生產(chǎn)成本的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池。
[0004]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0005]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，包括設(shè)置在外殼內(nèi)的反應(yīng)器和設(shè)置在外殼外的電池正極和電池負極，所述電池正極的底部連接于反應(yīng)器的一端;所述電池負極的底部連接于反應(yīng)器的另一端。
[0006]由于采用了上述技術(shù)方案，反應(yīng)器產(chǎn)生電能，通過連接電池正極和電池負極即可形成回路，將反應(yīng)器產(chǎn)生的電能釋放。
[0007]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述反應(yīng)器包括密封殼和設(shè)置在密封殼內(nèi)的陽極和陰極，所述陽極和陰極表面附著有微生物，所述陽極與陰極之間設(shè)有離子交換膜，所述陽極與電池正極相連，所述陰極與電池負極相連，所述密封殼內(nèi)充滿介質(zhì)。
[0008]由于采用了上述技術(shù)方案，離子交換膜將反應(yīng)器分隔成為陽極室和陰極室，在陽極室厭氧環(huán)境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，氧化劑在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。
[0009]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述陽極為表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠，所述陰極為vo2/s-ac泡沫鎳空氣陰極。
[0010]由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型的陽極電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好;本實用新型的陰極催化性能好，且釩的價格低于鉑，降低了生產(chǎn)成本。
[0011]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述微生物為腐敗希瓦氏菌，所述介質(zhì)為對氧化三甲胺。
[0012]由于采用了上述技術(shù)方案，氧化三甲胺腐敗希瓦氏菌的作用下，降解產(chǎn)生三甲胺，進而生成二甲胺和甲醛等，陰極室中的氧氣在陰極的催化作用下，得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。
[0013]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述電池正極和電池負極之間設(shè)有絕緣阻燃層，所述絕緣阻燃層覆于密封殼上表面;所述外殼的底部設(shè)有介質(zhì)交換器，所述介質(zhì)交換器通過通道與密封殼內(nèi)部相連通。
[0014]由于采用了上述技術(shù)方案，絕緣阻燃層能夠?qū)⒔^緣阻燃，提高電池的安全性能;通過介質(zhì)交換器能夠不斷補充新的介質(zhì)進入反應(yīng)器，保證電池的持續(xù)工作，延長電池的使用壽命O
[0015]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述離子膜交換膜包括全氟磺酸質(zhì)子膜一，所述全氟磺酸質(zhì)子膜一的下層覆蓋有二氧化硅層，所述二氧化硅的下層覆蓋有全氟磺酸質(zhì)子膜二;所述二氧化娃層的厚度為450nm，所述全氟磺酸質(zhì)子膜一表面覆有鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層，所述全氟磺酸質(zhì)子膜二表面覆有藻酸雙酯鈉層。
[0016]由于采用了上述技術(shù)方案，S12表面羥基與全氟磺酸質(zhì)子膜表面的磺酸根相互作用起到了物理交聯(lián)聚合物效果，鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層和藻酸雙酯鈉層能夠?qū)崿F(xiàn)對全氟磺酸質(zhì)子膜上磺酸基團的交聯(lián)，提高了膜的含水量，使得質(zhì)子更容易自由通過，提高了離子膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率和能量效率，同時避免微生物代謝產(chǎn)物對離子膜的污染，保證了離子膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，提高了電池的能量效率。
[0017]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小為9μπι;所述V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層呈納米薄片狀，所述V02/S-AC層的厚度為300nm，所述V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的聚二甲基娃氧燒與炭黑的負載量為6.25mg/cm2和1.56mg/cm2。
[0018]由于采用了上述技術(shù)方案，三維石墨烯導(dǎo)電性好，生物相容性高，容易形成三維多孔的氣凝膠結(jié)構(gòu)，鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有親水性表面，降低了氧化石墨烯表面疏水性，電解液更容易浸潤，導(dǎo)電性較好，提高了其在陽極電解液中的反應(yīng)活性面積。
[0019]V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極，VO2具有較高的氧化還原催化活性，將VO2與S-AC混合作為催化層，利用化學(xué)反應(yīng)將碳導(dǎo)電材料與催化劑構(gòu)成復(fù)合材料，增加了電化學(xué)活性電位及表面積，能夠使微生物燃料電池獲得較好的產(chǎn)電性能，為了進一步降低微生物燃料電池陰極的生產(chǎn)成本，更貼近于微生物燃料電池的實際應(yīng)用，選用價格相對便宜，電導(dǎo)率更高的泡沫鎳作為集電體材料，在控制電極成本的前提下，獲得更高的微生物燃料電池的產(chǎn)電效率。
[0020]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述陽極通過以下步驟制備而成:
[0021 ]步驟一:按濃硫酸:石墨粉:硝酸鈉質(zhì)量比65:1:0.6在冰浴的條件下向濃硫酸中加入石墨粉和硝酸鈉，攪拌溶解30min后，按照石墨粉:高錳酸鉀質(zhì)量比1: 5，向混合溶液中加入高錳酸鉀，攪拌1h后，按照濃硫酸:去離子水體積比1:1向混合溶液中加入去離子水，將混合物置于真空度為0.93的條件下，按照1.2°C/h的速率緩慢升溫至52°C，保持52°C恒溫繼續(xù)攪拌22h后，按照濃硫酸比雙氧水體積比1: 0.1向混合溶液中加入雙氧水，在52°C溫度下攪拌2.5h后離心，將固液分離取固體，固體分別用5%的稀鹽酸和去離子水沖洗，干燥后得到氧化石墨烯；
[0022]步驟二:用去離子水將氧化石墨烯配置成濃度為1.3mg/mL的溶液，按照質(zhì)量比8:1向溶液中加入四氮化三鈦，在室溫超聲2h后，微波反應(yīng)100W的條件下反應(yīng)1min后，將混合溶液置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的熱反應(yīng)釜中，充入氬氣作為保護氣后密封，抽真空達到真空度
0.8，升溫至180 V反應(yīng)36h，在氬氣保護氣存在下冷卻至常溫，制得表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠。
[0023]由于采用了上述技術(shù)方案，制得的陽極一一表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，且三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)崩解現(xiàn)象;孔徑大小為9μπι，適合細菌進入。
[0024]本實用新型的一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，所述陰極通過以下步驟制成:
[0025]步驟一:按照質(zhì)量比1:1將聚乙烯醇，聚四氟乙烯混合均勻后配制成濃度為10%的催化乳濁液，將VOAS-AC按照質(zhì)量比2:1混合均勻，按照質(zhì)量比1:3稱取V02/S-AC混合物和催化乳濁液，將V02/S-AC混合物和催化乳濁液經(jīng)過超聲波混合40min，將混合溶液加熱至650C，持續(xù)攪拌2h破乳，得到催化層原料；
[0026]步驟二:通過壓片機將泡沫鎳壓制成0.6mm的薄片，將催化層原料均勻地刮涂于泡沫鎳上表面，隨后在壓力為70kPa，功率為100W的條件下微波反應(yīng)5min，將薄片表面多余的粉末輕輕掃掉，得到覆有催化層的泡沫鎳；
[0027]步驟三:用DMF將聚二甲基硅氧烷配置成濃度為10%的溶液，按照聚二甲基硅氧烷:炭黑質(zhì)量比1:4向溶液中加入炭黑，混合均勻后，得到擴散層原料，將擴散層原料均勻涂抹在覆有催化層的泡沫鎳下表面，涂抹厚度為0.1mm，隨后放入干燥箱中在80°C的條件下烘干，得到V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極。
[0028]由于采用了上述技術(shù)方案，制備出的陰極一一V02/S_AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層呈納米薄片狀，兩種催化劑復(fù)合后的外比表面積顯著提高，活性位增加，VO2在活性炭表面的形成微孔結(jié)構(gòu)，大幅度增加了孔隙率，加快了物質(zhì)傳遞。
[0029]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型的有益效果是:
[0030]1、電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，電能產(chǎn)率高。
[0031]2、降低微生物燃料電池陰極的生產(chǎn)成本，更貼近于微生物燃料電池的實際應(yīng)用，在控制電極成本的前提下，獲得更高的微生物燃料電池的產(chǎn)電效率。
[0032]3、絕緣阻燃，提高電池的安全性能;不斷補充新的介質(zhì)進入反應(yīng)器，保證電池的持續(xù)工作，延長電池的使用壽命。
[0033]4、提高了離子膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率和能量效率，同時避免微生物代謝產(chǎn)物對離子膜的污染，保證了離子膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，提高了電池的能量效率。
【附圖說明】
[0034]圖1是一種基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；