一种具光催化协同效应微生物燃料电池电极及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及微生物燃料电池技术和光催化技术领域，具体涉及一种具光催化协同效应微生物燃料电池电极及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]目前环境问题和能源问题严重影响人们的生活和经济发展，环境问题日益严重，能源短缺也成为亟待解决的问题。微生物燃料电池(MFC)作为一种废水处理同时又能产电的技术，受到众多研究者的青睐。MFC反应条件温和，反应过程中无需提供其他能量，且无污染物生成，是一种具有可持续发展意义的水处理技术。
[0003]微生物燃料电池是在缺氧的条件下，利用微生物将有机物的电子传递到阳极，然后通过转移到阴极实现发电。然而微生物对有机物的降解具有选择性，对有机小分子具有较好的降解效率，对一些难生化的有机物大分子则存在降解效率低或者难以降解等问题。因此，微生物对废水中有机物的利用范围有限。
【发明内容】
[0004]解决的技术问题:为解决现有微生物燃料电池对废水中有机物的利用范围有限等问题，本发明提供了一种具光催化协同效应微生物燃料电池电极及其制备方法和应用。
[0005]技术方案:一种具光催化协同效应微生物燃料电池电极，包括碳布支撑体、电气石和具还原性物质混合粉层以及改性光催化材料，所述电气石和具还原性物质混合粉层附着于碳布支撑体的外表面，改性光催化材料附着于电气石和具还原性物质混合粉层表面；所述改性光催化材料具有可见光响应。
[0006]上述具还原性物质为铁粉、铝粉中的至少一种，电气石和具还原性物质的质量比例保持在0.4-1.2之间，比例过低则电气石促进光催化的效应减少，比例过高则不利于保证微生物活性。
[0007]上述电气石和具还原性物质混合粉层通过静电喷涂法附着于碳布支撑体的外表面，控制静电电压60-90kv、-静电电流10-2(^六，负载量为0.8￥七％-16 wt.%，粉层厚度在
0.5 μ m-?ο μ mo负载量在此范围内对Ti02光催化作用促进效果最佳。
[0008]上述改性光催化材料为掺杂型Ti02光催化材料，或者半导体复合光催化材料。
[0009]改性光催化材料附着于电气石和具还原性物质混合粉层表面的具体方法为:用溶胶凝胶法制备元素掺杂的钛溶胶，将钛溶胶滴在以lr/s-5r/s速率旋转的含电气石和具还原性物质混合粉层的碳布支撑体的外表面，烘干后重复上述步骤滴加，然后在保护气氛中于400-600°C焙烧得到具光催化效应的电极；通过控制碳布的旋转速率和钛溶胶滴加速度来控制改性光催化材料的负载量，改性光催化材料的负载量为lwt.%-10 wt.%。
[0010]钛溶胶的具体制备方法为:取4_8mL钛酸异丙酯、异丙醇钛、钛酸四丁酯、四氯化钛中的一种为钛源，在磁力搅拌器作用下，逐滴加入6-14mL无水乙醇中得溶液A;取6-14mL无水乙醇，逐次加入0.8-2.0mL去离子水和1.0-2.6mL冰醋酸、柠檬酸、甲酸中的一种，再添加与钛源摩尔比均为0.008-0.012的硝酸铋和尿素，在磁力搅拌器的作用下，混合均匀得溶液B ;在磁力搅拌器作用下，以0.5-2滴/s的速率把溶液B逐滴滴加到溶液A中，滴加完毕后继续搅拌20-60min得钛溶胶。
[0011]改性光催化材料由以下方法制得:1)负载掺杂型Ti02光催化材料:使用三靶共溅的溅射仪器，三个溅射靶分别为纯打02靶、非金属掺杂T1 2靶、金属掺杂T1 2勒，以含电气石和具还原性物质混合粉的碳布支撑体为基材，溅射的同时以lcm/s-5cm/s的速率移动基材，通过溅射仪器的溅射频率可以改变Ti02中掺杂元素的含量，制备改性光催化材料；2)负载半导体复合光催化材料:使用二靶共溅的溅射仪器，两个溅射靶分别为P型半导体材料和η型半导体材料，以含电气石和具还原性物质混合粉的碳布支撑体为基材，溅射的同时以lcm/s-5cm/s的速率移动基材，通过控制溅射仪器的溅射角度和溅射频率来改变不同类型半导体比例，制备改性光催化材料。
[0012]优选的，一种具光催化协同效应微生物燃料电池电极的制备方法，(1)取0.25g8000目电气石粉、0.06g 8000目铁粉和0.06g环氧树脂粉末混合，采用静电喷涂的方法将混合粉末喷涂到直径为5cm的圆形碳布上；(2)将喷涂后的碳布至于200°C的电阻炉中lh，即得混合粉负载的碳布；(3)以异丙醇钛为钛源，取5mL异丙醇钛，在磁力搅拌器作用下，逐滴加入到10mL无水乙醇中得溶液A ; (4)取10mL无水乙醇，逐次加入1.5mL去离子水和
1.8mL冰醋酸，再添加与异丙醇钛摩尔比均为0.01的硝酸铋和尿素，在磁力搅拌器的作用下，混合均匀得溶液B ; (5)在磁力搅拌器的作用下，将溶液B按0.5-2滴/s的速率滴加到溶液A中，滴加完毕后继续搅拌50min，然后在温度为25°C的恒温箱中静置6h得钛溶胶；
(6)以1.5滴/s的速率把步骤(5)中的钛溶胶滴加到步骤(2)中以2r/s速率旋转的碳布上，待碳布表面均匀铺满一层钛溶胶后将碳布放入60°C的烘箱中lOmin ;(7)重复步骤(6)一次，在N2保护下，将碳布放入管式炉中490°C焙烧3h，既得具光催化效应的碳布电极。
[0013]所述具光催化协同效应微生物燃料电池电极的应用，将具光催化作用的碳布电极固定于反应器中，取体积比1:1的厌氧污泥和生活废水混合均匀投加入反应器中，在恒温箱内于31°c下挂膜，既得挂膜后的复合阳极；用太阳光、日光灯光、节能灯光、紫外灯光中的至少一种，光源距离复合阳极的距离在50cm以内，污染物的浓度控制C0D在5000mg/L以下。
[0014]有益效果:(1)微生物与电极中光催化剂在降解废水的过程中具有耦合作用，电极表面的光催化材料在可见光或者太阳光的照射下把废水中难生化有机物分解为易生化有机物小分子，有机物小分子穿过碳布到达内侧生长的微生物表面后彻底降解。提高了微生物燃料电池的产电效率，拓宽了底物利用范围。
[0015](2)改性后的光催化剂具有可见光响应，大大减少了光催化剂使用条件的限制。
[0016](3)电气石具有热电性和压电性，能够产生永久性微弱电流，在该电流的作用下，光催化材料表面生成的空穴-电子对的寿命得以延长，提高了光催化效率。另外，电气石和还原性物质混合粉可以有效缓解光催化产生的空穴-电子和氧化性离子向生物膜的转移，以保证了微生物活性。
[0017]
【附图说明】
[0018]图1为微生物燃料电池的结构示意图；
图2为本发明具光催化协同效应微生物燃料电池电极的结构示意图，从左到右依次为微生物层、碳布、电气石粉和还原粉混合层、光催化层。
【具体实施方式】
[0019]以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，不应以此限制本发明的保护范围。
[0020]实施例1
(1)取0.25g电气石粉(8000目)、0.06g铁粉(8000目)和0.06g环氧树脂粉末混合，采用静电喷涂的方法将混合粉末喷涂到直径为5cm的圆形碳布上。
[0021](2)将喷涂后的碳布至于200°C的电阻炉中lh，即得混合粉负载的碳布。
[0022](3)以钛酸异丙酯为钛源，取5mL钛酸异丙酯，在磁力搅拌器作用下，逐滴加入到8mL无水乙醇中得溶液A。
[0023](4)取8mL无水乙醇，逐次加入1.5mL去离子水和1.8mL冰醋酸，再添加与钛酸异丙酯摩尔比均为0.01的硝酸铋和尿素，在磁力搅拌器的作用下，混合均匀得溶液B。
[0024](5 )在磁力搅拌器的作用下，将溶液B按0.5滴/s的速率逐滴滴加到溶液A中，滴加完毕后继续搅拌50min，然后在温度为25°C的恒温箱中静置6h得钛溶胶。
[0025](6)以1滴/s的速率把步骤(5)中的钛溶胶滴加到步骤(2)中以2r/s速率旋转的碳布上，待碳布表面均匀铺满一层钛溶胶后将碳布放入60°C的烘箱中lOmin。
[0026](7)重复步骤(6) —次，在N2保护下，将碳布放入管式炉中450°C焙烧3h，既得具光催化效应的碳布电极。
[0027](8)将上述制备的具光催化作用的碳布电极固定于反应器中，取60 mL厌氧污泥和60 mL生活废水混合均匀投加入反应器中，在恒温箱内于31°C下挂膜。
[0028]该方法制备的电极1102负载量为12%，在该电极上负载微生物后12h内对苯酚的降解率达92.8%，而没有经过处理的碳布负载微生物在相同条件下对苯酚的降解率只有76.3%ο
[0029]
实施例2
(1)取0.25g电气石粉(8000目)、0.06g铁粉(8000目)和0.06g环氧树脂粉末混合，采用静电喷涂的方法将混合粉末喷涂到直径为5cm的圆形碳布上。
[0030](2)将喷涂后的碳布至于200°C的电阻炉中lh，即得混合粉负载的碳布。
[0031](3)以异丙醇钛为钛源，取5mL异丙醇钛，在磁力搅拌器作用下，逐滴加入到10mL无水乙醇中得溶液A。
[0032](4)取10mL无水乙醇，逐次加入1.5mL去离子水和1.8mL冰醋酸，再添加与异丙醇钛摩尔比均为0.01的硝酸铋和尿素，在磁力搅拌器的作用下，混合