一种改性柚子皮泡沫碳微生物燃料电池阳极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种改性柚子皮泡沫碳微生物燃料电池阳极材料的制备方法，属于生物电池制备领域。
【背景技术】
[0002]在近几十年中，从我们的地球上大量废物中回收能源是一项我们一直重视的研究，其研究可能同时解决能源问题和环境问题。其中微生物燃料电池作为一种新型的污水处理技术，在去除有机物的同时可以产生电能，为解决环境问题和能源问题提供了一条新途径。微生物燃料电池是近些年发展起来的具有去污和产能双重功能的生物电化学系统。作为一种新型能源，该技术在废水处理方面具有极大的应用潜能。但是，目前较低的输出功率，以及较高的原料成本等问题，限制了其广泛的应用。作为电活性微生物生长和电子转移场所，阳极材料对性能具有非常重要的影响。虽然现有的可作为的阳极材料很多，但它们普遍存在性能相对较差、制备方法复杂、成本高等问题。因此，它们的规模化应用受到一定的限制。基于天然植物制备多孔碳材料的方法，具有操作简单和成本低等优点，且具有可持续性和环境友好等特点。因此，以天然植物为原料制备的三维多孔碳阳极，可以提高的阳极材料性能、降低成本。
[0003]传统的碳材料被广泛的应用于微生物燃料电池中作阳极，像石墨棒、碳租、碳纸、石墨毡、石墨刷和网状玻璃碳等。然而，由于传统碳材料的表面相对光滑不利于产电微生物的附着，从而限制了阳极材料的性能。随后，有些复合材料被研究者作为微生物燃料电池阳极，并取得了很好的效果。其主要原因是这些复合材料的大孔结构为产电微生物的生长提供了足够的空间；另外，复合材料表面的一些纳米结构有利于产电微生物的附着和电子的传递。
[0004]柚子是芸香科植物柚的成熟果实，产于我国江西、福建、广东、广西等南方地区。柚子清香、酸甜、凉润，营养丰富，药用价值很高，是人们喜食的水果之一，也是医学界公认的最具食疗效益的水果。人们关注更多的是柚子的果肉，而忽略了柚子的表皮。当我们剥开柚子时，可以很明显的感觉到柚子皮是松软的，它是一种具有海绵状结构的天然材料。
[0005]电气石是一种以含硼为特征的铝、钠、铁、钙、镁的环状硅酸盐晶体矿物。具有显著的热电性、压电性和自发电极性。研究认为电气石具有自发调节水体的氧化还原电位和PH值;降低水分子缔合度;增加水的生物膜透过率;促进细胞的新陈代谢等功能。而且电气石具有较高的物理化学稳定性，可重复利用，不产生二次污染。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题:针对目前微生物燃料电池所用阳极材料多为碳基电极，像石墨棒、碳毡、碳纸、石墨毡、石墨刷和网状玻璃碳等。然而，由于传统碳材料的表面相对光滑不利于产电微生物的附着，从而限制了阳极材料性能的缺陷，提供了一种改性柚子皮泡沫碳微生物燃料电池阳极材料的制备方法，该方法以柚子皮瓤为原料炭化，并用电泳沉积法将电气石沉积在泡沫碳表面，最终烧结后即得改性柚子皮泡沫碳微生物燃料电池阳极材料。本发明以具有海绵状结构的柚子皮瓤为原料直接炭化成网状泡沫碳，其巨大的孔隙网状结构和褶皱表面可以提供给微生物更大的附着位置，同时具有良好的亲水性，其中沉积在泡沫碳表面的电气石具有永久带电和永久保持正负极的特性，这些特性使得电气石能够调节水溶液的PH值、氧化还原电位等，进而提高微生物的活性，促进微生物的生长，解决了传统碳基阳极电极材料不利于产电微生物附着从而影响其性能的缺陷，具有广阔的应用前景。
[0007 ]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
(1)取2?3个柚子剥皮，用刀削去柚子皮表面黄色蜡质层，得到白色海绵状结构的皮瓤，用去离子水浸泡3?5h后装入纱布袋，悬空挂住纱布袋使皮瓤中的水分自然滴落，当纱布袋中再无水滴滴落时取出柚子皮瓤，放入烘箱在105?110 °C下干燥2?3h;
(2)将上述干燥后的柚子皮放入高温炭化炉中，向炉中通入氮气置换出其中所有空气，并在氮气保护下先以8°C/min速率程序升温至100°C预炭化30?40min，再以5°C/min速率升温至800?90(TC，保温炭化I?2h后待其自然冷却至室温，得到柚皮泡沫碳；
(3)将上述制得的柚皮泡沫碳放入气流粉碎机中粉碎后过200目标准筛，再将过筛后的泡沫碳粉末注入直径为I?2cm，高为5?6cm的圆柱形模具中，移入高温烧结炉于500?600°C下烧结2?3h后拆模，得到圆柱状泡沫碳电极，备用；
(4)称取400?500g电气石，用超细粉磨机进行研磨并过900?1000目标准筛，将得到的电气石粉末按固液比为1:50倒入浓度为0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌浸泡20?30min后，用去离子水抽滤洗涤3?5遍；
(5)将100?120g洗涤后的超细电气石粉末和5?Sg聚乙烯醇缩丁醛倒入2?3L丙酮中，放入超声分散机中以200?300W功率超声分散处理10?20min，再放置在磁力搅拌机上，继续搅拌20?24h，得到混合电气石粉末悬浮液；
(6)将上述得到的电气石粉末悬浮液倒入5L烧杯中作为电解液，以铂片为正极，备用的圆柱状泡沫碳电极为负极，采用电泳沉积法在正负极间施加5 O?7 O V / c m的电场，电泳沉积I?2h;
(7)沉积结束后，取出沉积电气石后的泡沫碳电极，放入真空干燥器干燥8?1h后，移入管式电阻炉，在氩气氛围下以1000?1200 0C的高温烧结I?2h后出炉，自然冷却至室温后即得改性柚子皮泡沫碳微生物燃料电池阳极材料。
[0008]本发明的物理性质:本发明制得的改性柚子皮泡沫碳微生物燃料电池阳极材料电导率高达35.70?35.71.cm—1，电阻率为0.027?0.029 Ω.cm，电流密度为7.27?7.29mA.cm—2，最大功率密度可达1.20?1.22mff.cm—2，运行700?800h后阳极上生物量依然可达6.1X 10—3?6.3 X 10—3g/cm2，具有极佳的生物负载能力。
[0009]本发明的有益效果:
(1)本发明制得的阳极材料可给微生物生长提供足够的空间，同时有利于底物在阳极上进行有效传递；
(2)本发明制得的阳极材料具有良好的生物相容性，耐腐蚀性强，有利于电池的长期运行。
【具体实施方式】
[0010]取2?3个柚子剥皮，用刀削去柚子皮表面黄色蜡质层，得到白色海绵状结构的皮瓤，用去离子水浸泡3?5h后装入纱布袋，悬空挂住纱布袋使皮瓤中的水分自然滴落，当纱布袋中再无水滴滴落时取出柚子皮瓤，放入烘箱在105?110 °C下干燥2?3h;将上述干燥后的柚子皮放入高温炭化炉中，向炉中通入氮气置换出其中所有空气，并在氮气保护下先以8°C/min速率程序升温至100°C预炭化30?40min，再以5°C/min速率升温至800?900°C，保温炭化I?2h后待其自然冷却至室温，得到柚皮泡沫碳;将上述制得的柚皮泡沫碳放入气流粉碎机中粉碎后过200目标准筛，再将过筛后的泡沫碳粉末注入直径为I?2cm，高为5?6cm的圆柱形模具中，移入高温烧结炉于500?600°C下烧结2?3h后拆模，得到圆柱状泡沫碳电极，备用；称取400?500g电气石，用超细粉磨机进行研磨并过900?1000目标准筛，将得到的电气石粉末按固液比为1:50倒入浓度为0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌浸泡20?30min后，用去离子水抽滤洗涤3?5遍;将100?120g洗涤后的超细电气石粉末和5?Sg聚乙烯醇缩丁醛倒入2?3L丙酮中，放入超声分散机中以200?300W功率超声分散处理10?20min，再放置在磁力搅拌机上，继续搅拌20?24h，得到混合电气石粉末悬浮液;将上述得到的电气石粉末悬浮液倒入5L烧杯中作为电解液，以铂片为正极，备用的圆柱状泡沫碳电极为负极，采用电泳沉积法在正负极间施加50?70V/cm的电场，电泳沉积I?2h;沉积结束后，取出沉积电气石后的泡沫碳电极，放入真空干燥器干燥8?1h后，移入管式电阻炉，在氩气氛围下以1000?1200°C的高温烧结I?2h后出炉，自然冷却至室温后即得改性柚子皮泡沫碳微生物燃料电池阳极材料。
[0011]实例I
取2个柚子剥皮，用刀削去柚子皮表面黄色蜡质层，得到白色海绵状结构的皮瓤，用去离子水浸泡3h后装入纱布袋，悬空挂住纱布袋使皮瓤中的水分自然滴落，当纱布袋中再无水滴滴落时取出柚子皮瓤，放入烘箱在105°C下干燥2h;将上述干燥后的柚子皮放入高温炭化炉中，向炉中通入氮气置换出其中所有空气，并在氮气保护下先以8°C/min速率程序升温至100°C预炭化30min，再以5°C/min速率升温至800°C，保温炭化Ih后待其自然冷却至室温，