一种基于三维筛管碳结构作为阳极的高性能微生物燃料电池的制作方法

本发明涉及微生物燃料电池技术领域，具体为一种基于三维筛管碳结构作为阳极的高性能微生物燃料电池。

背景技术：

随着社会的发展，工厂以及人口的迅猛增加，导致生活污水和工业废水的急剧排放增加，严重的水资源污染，已经严重影响到人民的生活环境和健康。传统的污水处理工业需要耗费的成本高，且占地面积大。事实上，有机污染废水中蕴含着大量的能量，如果能把这部分的能量回收，将具有巨大的社会和经济效益。微生物燃料电池就是利用微生物（如各种细菌）来催化氧化污水中的有机物，把化学能直接转换成电能的新型装置。他在处理净化污水的同时产生电能，是21世纪具有重要应用前景的技术。然而，制约微生物燃料电池大规模应用的关键问题之一就是其较低的输出功率密度、能量密度和昂贵的制造成本。

阳极材料作为微生物催化反应界面,其生物相容性、比表面积、导电性及化学稳定性等直接影响微生物在阳极上的吸附生长,微生物传递电子能力、电极阻抗，和电池输出功率密度等。普遍使用的阳极材料有碳材料，如碳纸，碳毡、石墨棒、石墨片、碳布、泡沫碳、碳刷、石墨泡沫等等。主要是因为碳材料具有良好的稳定性，优越的导电性以及非常好的生物相容性。在众多的碳材料中，又可以分为一维、二维和三维碳，其中三维的碳材料具有较大的比表面积，能容纳更多的微生物附着生长，被认为属于新一代理想的微生物燃料电池阳极材料。

目前已经开发的微生物燃料电池三维材料主要有使用化学气相沉积，电沉积，冷冻干燥等方法构建的三维石墨烯基电极材料等，由于高的导电性，多孔的结构容纳微生物生长等原因，这些三维碳基材料应用在微生物燃料电池阳极均能获得较好的功率和能量密度。但是目前普遍存在的问题是石墨烯的造价及成本高，使用的仪器复杂，难以大规模生产。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于三维筛管碳结构作为阳极的高性能微生物燃料电池，具有制备方法简单，容易放大，环保及成本低，产电功率密度高等特点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于三维筛管碳结构作为阳极的高性能微生物燃料电池，包括阴极和阳极，所述阳极为三维筛管结构的碳，所述三维筛管结构为三维饼状筛管结构或者环状筛管结构。

在本发明中，使用三维筛管结构的碳作为阳极制备得到的双室微生物燃料电池具有输出功率密度和电流密度高的特点，可获得（59.95W/m³相对于阳极室体积）的稳态输出功率密度和173.11A/m³的最大电流密度，该输出功率密度和电流密度分别是碳纸做为阳极的微生物燃料电池（分别是18.48W/m³和42.97 A/m³相对于阳极室体积）的3.2倍和4倍。三维筛管结构为三维饼状筛管结构或者环状筛管结构，由天然蜂巢状的多孔筛管结构贯通两个横截面，能保证微生物的自由进出以及传质作用的顺利进行，从而大大提高电池的功率密度和电流密度。

进一步地，所述三维筛管结构的碳由农业固体废弃物木薯秸秆碳化得到，制备过程简单，容易放大，原料属于生物质能源的回收以及固体废弃物资源化，对环境保护，污染物综合利用，废物资源化，以及新能源的开发等多个领域都具有非常好的社会意义和经济价值。

进一步地，所述三维筛管结构的碳是通过以下方法制备的：利用天然木薯秸秆作为原料，厌氧气氛中先在150℃下煅烧1.5小时，再在750℃下碳化1小时，得到具有三维筛管结构的多孔碳材料。

进一步地，所述微生物燃料电池为三明治式双室微生物燃料电池结构，包括阴极室和阳极室和设置在阴极室和阳极室之间的反应器。

进一步地，所述微生物燃料电池还包括阳极液，所述阳极液是通过以下方法制备的：取10.0g碳酸氢钠、11.2g磷酸氢二钠、10.0g无水葡萄糖和5g酵母浸膏的混合物溶在烧杯中，再加入0.8707gHNQ，搅拌均匀后，将溶液定容在1000mL定容瓶中。

进一步地，所述微生物燃料电池还包括阴极液，所述阴极液含有碳酸氢钠10.0g/L、磷酸氢二钠11.2g/L和50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]。

本发明一种基于三维筛管碳结构作为阳极的高性能微生物燃料电池，具有如下的有益效果：本法发明提出了一种基于木薯秸秆制备具有天然筛管结构的三维碳，从而开发得到基于这种三维阳极高效微生物燃料电池，具有制备方法简单，容易放大，环保及成本低，产电功率密度高等特点，对农业固体废弃物的利用和资源化，废水净化和生物质能回收以及新能源的发展等多个领域都具有深远的意义和良好的应用前景。

附图说明

附图1为三维筛管碳结构的SEM图；

附图2为以三维饼状筛管结构为阳极的微生物燃料电池的功率密度曲线和极化曲线（以阳极室的体积计算）；

附图3为以环状筛管结构为阳极的微生物燃料电池的功率密度曲线和极化曲线（以阳极室的体积计算）；

附图4为以碳纸为阳极的微生物燃料电池的功率密度曲线和极化曲线（以阳极室的体积计算）。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

本发明公开了一种基于三维筛管碳结构作为阳极的高性能微生物燃料电池，一种基于三维筛管碳结构作为阳极的高性能微生物燃料电池，包括阴极和阳极，所述阳极为三维筛管结构的碳，所述三维筛管结构为三维饼状筛管结构或者环状筛管结构。 所述三维筛管结构的碳由农业固体废弃物木薯秸秆碳化得到。所述三维筛管结构的碳是通过以下方法制备的：利用天然木薯秸秆作为原料，厌氧气氛中先在150℃下煅烧1.5小时，再在750℃下碳化1小时，得到具有三维筛管结构的多孔碳材料。最终得到的三维筛管结构的多孔碳材料的SEM图如图1所示。

在图1中，：a 截面图，b剖面图。从图1的SEM图可以清晰的观察到，碳化之后的木薯秸秆保留了原来的筛管结构，这些筛管结构的管径约有20微米，而普通的微生物粗约为大小0.5×1～3微米，因此这些天然筛管可以允许微生物的自由进出和附着，并使得传质作用能顺利进行。

进一步地，所述微生物燃料电池为三明治式双室微生物燃料电池结构，包括阴极室、阳极室和阳离子交换膜。

进一步地，所述微生物燃料电池还包括阳极液，所述阳极液是通过以下方法制备的：取10.0g碳酸氢钠、11.2g磷酸氢二钠、10.0g无水葡萄糖和5g酵母浸膏的混合物溶在烧杯中，再加入0.8707gHNQ，搅拌均匀后，将溶液定容在1000mL定容瓶中。

进一步地，所述微生物燃料电池还包括阴极液，所述阴极液含有碳酸氢钠10.0g/L、磷酸氢二钠11.2g/L和50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]

为了进一步对本发明的微生物燃料电池进行研究，分别通过实施例1和实施例2对本发明的技术方案进行具体的阐述。

实施例1

实施例1是以三维饼状筛管结构为阳极的微生物燃料电池，其具体制备、组装和测试方法如下：

第一步、电极材料三维饼状筛管结构碳的制备

利用天然木薯秸秆作为原料，厌氧气氛中先在150℃下煅烧1.5小时，再在750℃下碳化1小时，得到具有天然筛管结构的的多孔碳材料。

第二步、阳极和阴极的制作

把第一步得到的碳柱切成长2cm的饼状结构。然后接上铜线，在接口处涂上环氧树脂作为阳极；阴极使用商业碳纸，面积是2cm*2cm

第三步、微生物燃料电池的组装运行及测试

阳极液：取10.0g碳酸氢钠、11.2g磷酸氢二钠、10.0g无水葡萄糖和5g酵母浸膏的混合物溶在烧杯中，再加入0.8707gHNQ，搅拌均匀后，将溶液定容在1000mL定容瓶中，备用。

阴极液：含有碳酸氢钠10.0g/L、磷酸氢二钠11.2g/L和50mmol/L K₃[Fe(CN)₆]。

双室微生物燃料电池结构采用三明治式结构，阴极室和阳极室的体积均为20mL。

电池的启动和功率密度极化曲线的测定：取18mL的阳极液放入反应器中，通入15分钟的高纯氮气，通完气体后再取2mL大肠杆菌培养液放入反应器中，用胶塞塞住反应器上端的开口，使得反应器处于密封的状态。待在电池的开路电压稳定后，向电池依次负载不同的电阻，系统自动记录不同负载电阻时输出的电压值、功率密度和电流密度。具体测试结果如图2所示。

实施例2

实施例2以环状筛管结构为阳极的微生物燃料电池，其具体制备、组装和测试方法如下：

第一步、电极材料环状筛管结构碳的制备，与实施例1相同。

第二步、阳极和阴极的制作

把得到的碳柱切成长2cm的环状结构，去除中间较为疏松的芯，得到环状结构三维碳。然后接上铜线，在接口处涂上环氧树脂，作为阳极。

阴极的制作与实施例1相同。

第三步、微生物燃料电池的组装运行及测试，与实施例1相同。具体测试结果如图3所示。

同时，为了评估本发明所述微生物燃料电池与现有技术的差异，以商业化碳纸作为阳极，制作对比例1。

对比例1

以商业化碳纸作为阳极的微生物燃料电池的制作、测试方法如下：

第一步、阳极的制作，使用商业碳纸，面积是2cm*2cm。

第二步、阴极的制作，与实施例1的阴极制作相同。

第三步、微生物燃料电池的组装运行及测试，与实施例1相同。具体测试结果如图4所示。

从图2可以看到，使用饼状三维碳作为阳极组装得到的双室微生物燃料电池可获得59.95W/m^3（（相对于阳极室体积）的稳态输出功率密度和173.11A/m³的最大电流密度，该输出功率密度和电流密度分别是碳纸做为阳极的微生物燃料电池（如图4，分别是18.48W/m³和42.97 A/m³）的3.2倍和4倍。

从图3可以看到，使用环状结构三维碳作为阳极组装得到的双室微生物燃料电池也可获得54.60W/m³（相对于阳极室体积）的稳态输出功率密度和134.92A/m³的最大电流密度，该输出功率密度和电流密度分别是碳纸做为阳极的微生物燃料电池（如图4，分别是18.48W/m³和42.97 A/m³）的2.95倍和3.14倍。

因此，本法发明提出了一种基于木薯秸秆制备具有天然筛管结构的三维碳，从而开发得到基于这种三维阳极高效微生物燃料电池，具有制备方法简单，容易放大，环保及成本低，产电功率密度高等特点，对农业固体废弃物的利用和资源化，废水净化和生物质能回收以及新能源的发展等多个领域都具有深远的意义和良好的应用前景。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。