复合电极及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及微生物燃料电池技术领域，具体地，涉及复合电极及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池是一种利用产电微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，它能够在处理污水的同时获得电能。相对于传统的化学电池来说，微生物燃料电池的输出功率仍然较低，这限制了微生物燃料电池的大规模利用。阳极不仅是产电微生物附着的载体，又是电子传递的导体，对微生物燃料电池的输出功率提高起着至关重要的作用。因此，寻求既能提高产电微生物附着量，又能提高电子传递速率的微生物燃料电池阳极材料显得尤为重要。微生物燃料电池中应用最广泛的阳极存在生物附着量较少和电子传递效率较低的问题，限制了微生物燃料电池的输出功率，不利于其推广应用。
[0003]因此，用于微生物电池的复合电极仍有待改进。
【发明内容】
[0004]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种不含有粘结剂、电极电阻低，且产电性能好的用于微生物电池的复合电极。
[0005]需要说明的是，本发明是基于发明人的下列工作而完成的:
[0006]由于石墨稀的具有尚比表面积、尚导电性，一氧化猛具有尚比电容、$父好的生物相容性，发明人以不锈钢毡或碳毡作为导电基材，使用二氧化锰和石墨烯对其进行修饰得到复合电极。利用该复合电极作为微生物燃料电池阳极，可以有效提升生物的附着量，提高电子从产电微生物到电极的传递速率，从而提高了微生物燃料电池的输出功率。
[0007]因而，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种复合电极。根据本发明的实施例，该复合电极包括:导电基材、石墨烯和二氧化锰。
[0008]发明人惊奇地发现，该复合电极不含粘结剂，电极电阻低，活性物质分散性能良好，生物相容性好。并且，该复合电极采用石墨烯作为基材骨架，二氧化锰颗粒可以均匀的分散于比表面积大、导电性优异的石墨烯表面，有效的提高了二氧化锰的表面积，降低了电极的电阻。根据本发明的实施例，将该复合电极应用于微生物燃料电池阳极，可以有效提高阳极的生物附着量，提高了阳极的电子传递效率，从而提高微生物燃料电池的产电性能。
[0009]另外，根据本发明上述实施例的复合电极，还可以具有如下附加的技术特征:
[0010]根据本发明的实施例，所述导电基材为不锈钢毡或碳毡。由此，导电基材的导电性好。根据本发明的一些优选实施例，所述导电基材为不锈钢毡。由此，导电基材的导电性更佳。
[0011]根据本发明的实施例，所述石墨烯负载于所述导电基材的表面上，所述二氧化锰负载于所述石墨烯和所述导电基材的至少之一上。由此，采用石墨烯作为基体骨架，二氧化锰颗粒可以均匀的分散于比表面积大、导电性优异的石墨烯表面，有效的提高了二氧化锰的表面积，降低了电极的电阻，并且，负载二氧化锰和石墨烯的复合电极，生物相容性好，有利于微生物附着生长。
[0012]根据本发明的又一方面，本发明提供了一种制备前述复合电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括:(I)将氧化石墨烯负载于导电基材表面，以便得到导电基材/氧化石墨烯复合体；(2)将所述导电基材/氧化石墨烯复合体中的氧化石墨烯还原，以便得到导电基材/石墨烯复合体；以及(3)将二氧化锰负载于所述导电基材/石墨烯复合体表面，以便获得所述复合电极。
[0013]发明人惊奇地发现，利用该方法制备复合电极，制备方法简单方便，无需使用粘结剂即可实现氧化石墨烯和二氧化锰均匀负载于导电基材的表面。根据本发明的实施例，利用该方法制备的复合电极，该复合电极不含粘结剂，电极的阻力低，活性物质分散、不易团聚，电子传递效率高。
[0014]根据本发明的实施例，利用丙酮对所述导电基材进行预处理，以便得到预处理后的导电基材。由此，对导电基材的清洁效果好。
[0015]根据本发明的实施例，将氧化石墨在去离子水中进行超声分散，以便得到所述氧化石墨烯。由此，制备氧化石墨烯的方法简便，效果好。
[0016]根据本发明的实施例，利用浸渍法将所述氧化石墨烯负载于所述预处理后的导电基材表面，以便得到导电基材/氧化石墨烯复合体。由此，利用该方法将氧化石墨烯负载于导电基材的表面，无需使用有毒化学试剂，只需将氧化石墨烯制备成氧化石墨烯溶液，通过控制氧化石墨烯溶液的的浓度和浸渍次数，即可实现氧化石墨烯在导电基材表面的均匀负载。
[0017]根据本发明的实施例，所述导电基材/石墨烯复合体是在电解质为硫酸钠溶液，工作电极为所述导电基材/氧化石墨烯复合体，对电极为钛片，参比电极为饱和甘汞电极，以及相对于饱和参比电极的恒电势为-0.8?-1.5V的条件下，采用电化学法将所述导电基材/氧化石墨烯复合体进行还原得到的。由此，利用该方法将氧化石墨烯还原为石墨烯，方法简单，易操作，无需使用有毒化学试剂，只需控制电势等参数，即可实现氧化石墨烯的还原。
[0018]根据本发明的实施例，所述将二氧化锰负载于所述导电基材/石墨烯复合体表面是在电解质为硫酸钠和硫酸锰的混合溶液，工作电极为所述不锈钢毡-导电基材复合体，对电极为钛片，参比电极为饱和甘汞电极，以及恒电流为6?1mA的条件下，采用电化学沉积法进行的。由此，利用电化学沉积法，无需使用粘结剂，以硫酸锰和硫酸钠作为锰源和支持电解质，在恒电流条件下将二氧化锰沉积至复合电极表面，方法简单方便，通过控制电解质浓度、沉积时间、电流大小即可精确控制二氧化锰负载的量
[0019]根据本发明的实施例，每Icm2所述导电基材负载0.35±0.05mg所述氧化石墨稀。由此，电极比表面积和电容均较大。
[0020]根据本发明的实施例，每Icm2所述导电基材负载0.18±0.05mg所述二氧化猛。由此，电极的比电容较大。
[0021]根据本发明的另一方面，本发明提供了一种微生物燃料电池。根据本发明的实施例，该微生物燃料电池包括:阳极腔室、质子交换膜、阴极腔室和外电路，其中，所述阳极腔室包括:阳极液、阳极和产电微生物，所述阴极腔室包括:阴极液和阴极，所述阳极为前述复合电极。
[0022]发明人惊奇地发现，该生物燃料电池的阳极不含粘结剂，电极的阻力低，活性物质分散、不易团聚，生物相容性好，微生物附着量大，从而，该微生物燃料电池的电子传递效率高，产电性能好。
[0023]根据本发明的实施例，所述阴极为碳刷电极。由此，可以确保阴极快速发生反应。
[0024]根据本发明的实施例，所述阳极液为污水，所述阴极液为铁氰化钾溶液。由此，阴极电势得到提高，从而提高微生物燃料电池的输出电压，提高产电性能。
[0025]根据本发明的实施例，所述质子交换膜为阳离子交换膜，由此，阳极产生的质子可以通过阳离子交换膜到达阴极，维持阴阳极的PH平衡。
[0026]根据本发明的实施例，所述产电微生物来源于正常产电的微生物燃料电池阳极液出水。由此，微生物的活性好，从而，微生物燃料电池的产电性能好。
[0027]根据本发明的实施例，所述微生物燃料电池为双室型微生物燃料电池。由此，产电生物附着于阳极之上，降解污水中的有机物，电子通过外电路到达阴极，还原铁氰化钾，产生电能。