本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种多孔碳生物电极的制备方法。
背景技术
进入21世纪以来，我国经济飞速发展，人民生活水平逐步提高，但同时也清醒的看到，我国的经济发展过多的依赖于资源环境的高投入，使得我国的环境形势变的更加严峻，环境问题尤其是水污染问题，已成为制约我国经济社会发展的突出因素。
微生物燃料电池（microbialfuelcell,简称mfc）技术是使用微生物作为催化剂，将废水中的有机物或者无机物质进行氧化，产生电能。具有处理废水和产生电能的双重特性，可以为资源循环利用提供持续的能量来源。
而目前微生物燃料电池现在面临的困难是产电性能低以及持续运行时间短，还处于实验室研究阶段，实际生产应用还有很长的路要走。为了增加产电性能，阳电极材料起着至关重要的作用，不仅影响着微生物的附着，还决定着电子的转移。生物质多孔碳由于具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积、优良的导电性能，近年来，许多研究人员将其制备成电极材料，拓展了其在能源材料领域中的应用。
但目前多孔碳电极在制备过程中需要用到如间苯二酚，甲醛，二乙烯基苯聚合物等有毒化学物质，使用的活化剂和催化剂也多具有强腐蚀性或毒性，会造成生产设备的腐蚀和环境的破坏。因此需要开发一种简单快速、绿色高效的制备方法，实现生物质碳材料的多孔化和石墨化处理。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种多孔碳生物电极的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多孔碳生物电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、首先将非离子表面活性剂加入到软化水中制成溶解液，所述软化水由无水乙醇和去离子水按体积比1:8混合配置，所述非离子表面活性剂与软化水的体积比为1:1～1.5；
2)、然后将间苯三酚和5-羟甲基糠醛按质量比0.4-0.6:1加入到上述溶解液中混匀，所述间苯三酚与溶解液的质量体积比为1g:556～800ml，搅拌10-20min后，加入催化剂，进行溶液预聚合；
3)、将上述预聚合的溶液放入研钵中，逐滴加入十二烷，同时进行乳化，所述间苯三酚与十二烷的质量体积比为1g:74ml；
4)、将步骤3)乳化合成的粘性乳液在120℃-150℃下放置20-30h，然后用乙醇进行萃取和洗涤，并在烘箱中干燥，将干燥得到的固体材料在管式炉中以3℃/min的速率加热至750℃，并在750℃下放置4-5h，所述管式炉加热过程中，每分钟通入10ml氮气，然后冷却至室温得电极材料，即多孔碳生物电极。
进一步地；所述非离子表面活性剂为吐温。
进一步地；所述催化剂为氯化铁，所述氯化铁与间苯三酚的质量比为1:2～3。
进一步地；步骤4)中所述烘箱中干燥温度为60℃-85℃，烘干至含水量在5%以下。
一种微生物燃料电池，其特征在于：该微生物燃料电池中阳极电极材料为权利要求1-4任一所述方法制备的多孔碳生物电极材料。
本发明的有益效果：
1、本发明以间苯三酚和5-羟甲基糠醛为原料制备多孔碳生物电极，碳化过程简单易操作，绿色环保，对生产设备无腐蚀。
2、将本发明的多孔碳生物电极作为阳电极应用于mfc中，与以传统石墨板电极为阳电极相比，mfc最大输出功率密度可提高3倍左右，给mfc带来了更好的产电性能。
3、将本发明制备的多孔碳生物电极作为阳电极应用于mfc中，可以使mfc稳定运行6个月以上，突破了以往微生物燃料电池运行时间短的缺陷，且稳定性好。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的多孔碳生物电极的sem图；
图2为现有传统石墨板电极的sem图；
图3为实施例4的mfc功率密度曲线图。
具体实施方式
实施例1
一种多孔碳生物电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、首先将80ml非离子表面活性剂吐温加入到100ml软化水中制成溶解液，所述软化水由无水乙醇和去离子水按体积比1:8混合配置；
2)、然后将0.312g间苯三酚和0.5725g5-羟甲基糠醛加入到上述溶解液中混匀，搅拌10min后，加入0.1335g催化剂氯化铁，进行溶液预聚合；
3)、将上述预聚合的溶液放入研钵中，逐滴加入23.2ml十二烷，同时用杵手动进行乳化；
4)、将步骤3)乳化合成的粘性乳液在130℃下放置24h，然后用乙醇进行萃取和洗涤，并在烘箱中干燥，干燥温度为80℃，烘干至含水量在5%以下，将干燥得到的固体材料放入坩埚中，然后将坩埚在管式炉中以3℃/min的速率加热至750℃，并在750℃下放置4h，所述管式炉加热过程中，每分钟通入10ml氮气，然后冷却至室温得电极材料，即多孔碳生物电极，再将其切割成所需规格，即1cm×1cm×0.2cm（长×宽×厚）。
本实施例制备的多孔碳生物电极的sem图如图1所示，现有传统石墨板电极的sem图如图2所示。
实施例2
一种多孔碳生物电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、首先将80ml非离子表面活性剂吐温加入到80ml软化水中制成溶解液，所述软化水由无水乙醇和去离子水按体积比1:8混合配置；
2)、然后将0.2g间苯三酚和0.5g5-羟甲基糠醛加入到上述溶解液中混匀，搅拌15min后，加入0.1g催化剂氯化铁，进行溶液预聚合；
3)、将上述预聚合的溶液放入研钵中，逐滴加入14.8ml十二烷，同时用杵手动进行乳化；
4)、将步骤3)乳化合成的粘性乳液在120℃下放置30h，然后用乙醇进行萃取和洗涤，并在烘箱中干燥，干燥温度为60℃，烘干至含水量在5%以下，将干燥得到的固体材料放入坩埚中，然后将坩埚在管式炉中以3℃/min的速率加热至750℃，并在750℃下放置4h，所述管式炉加热过程中，每分钟通入10ml氮气，然后冷却至室温得电极材料，即多孔碳生物电极，再将其切割成所需规格，即1cm×1cm×0.2cm（长×宽×厚）。
实施例3
一种多孔碳生物电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、首先将80ml非离子表面活性剂吐温加入到120ml软化水中制成溶解液，所述软化水由无水乙醇和去离子水按体积比1:8混合配置；
2)、然后将0.36g间苯三酚和0.6g5-羟甲基糠醛加入到上述溶解液中混匀，搅拌20min后，加入0.12g催化剂氯化铁，进行溶液预聚合；
3)、将上述预聚合的溶液放入研钵中，逐滴加入26.64ml十二烷，同时用杵手动进行乳化；
4)、将步骤3)乳化合成的粘性乳液在150℃下放置20h，然后用乙醇进行萃取和洗涤，并在烘箱中干燥，干燥温度为85℃，烘干至含水量在5%以下，将干燥得到的固体材料放入坩埚中，然后将坩埚在管式炉中以3℃/min的速率加热至750℃，并在750℃下放置5h，所述管式炉加热过程中，每分钟通入10ml氮气，然后冷却至室温得电极材料，即多孔碳生物电极，再将其切割成所需规格，即1cm×1cm×0.2cm（长×宽×厚）。
实施例4产电性能实验
按照传统方法构建mfc，所述mfc包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室内分别设有阳电极和阴电极，所述阳极室和阴极室之间通过质子交换膜相间隔，所述阳电极和阴电极与外接电路连接，连接的导线为钛丝导线，钛丝与电极连接口处用环氧树脂密封，防止连接不紧密，出现漏电现象。负载采用的是变阻箱，导线与外接变阻箱相连接，电子形成闭合回路，通过电阻箱两端的数据采集卡来记录电压值。所述阳电极采用实施例1制备的多孔碳生物电极或传统石墨板电极，所述阴电极采用传统石墨板电极。
将mfc置于35±1℃的恒温培养箱中，实验前往阳极室中加入已驯化好的活性污泥，同时加入cod浓度为8000mg/l的有机废水，并向阳极室中通入n2，时间约为20min，以去除阳极室中的氧气，保证微生物处于厌氧环境。将浓度为300mg/l的高锰酸钾溶液通入阴极室内，启动mfc。所述活性污泥制备方法：污泥取自李村污水处理厂，将200g的污泥放入2l的培养罐中，充氮气20min，水浴加热35℃，在厌氧环境中，培养7-10天，即得活性污泥。
产电电压采用16通道数据信号采集器，每隔一分钟自动采集数据并储存于电脑中，电池启动12小时达到稳定状态。本实验采用恒阻放电法进行测定：用电阻箱调节不同的电阻值（500-9000ω），稳定20min后，读取电压值并作好记录，每一个外阻下，电池都运行一个完整的周期。根据欧姆定理求出电流值：i=u/r，然后计算功率p=ui。“mfc输出的最大功率”与“电极的体积或外表面积”之比，即为功率密度powerdensity，单位是瓦/立方米或瓦/平方米。本实验所用电极的外表面积为0.001m2，据此可求出功率密度。功率密度曲线的绘制由输出功率密度对电流作图得到，功率密度曲线可以反映mfc产电性能的大小。
图3为mfc功率密度曲线图。从图3可以看出，传统石墨板电极做阳极时，mfc最大输出功率密度为184.38653mw/m2。实施例1制备的多孔碳生物电极做阳极时，mfc最大输出功率密度为561.09292mw/m2，最大功率密度提高3倍左右。而最大功率密度的提高是阳电极性能优化的贡献，给mfc带来了更好的产电性能。
实施例5产电稳定性实验
按实施例4方法构建mfc，阳电极采用实施例1制备的多孔碳生物电极，阴电极采用传统石墨板电极，将mfc置于35±1℃的恒温培养箱中，将已驯化好的活性污泥和cod浓度为8000mg/l的有机废水通入阳极室内，将浓度为300mg/l的高锰酸钾溶液通入阴极室内，启动mfc，所述活性污泥制备方法同实施例4。
mfc启动达到稳定状态之后，采用16通道数据信号采集器采集产电电压信号，并储存于电脑中，实验结果显示mfc运行6个月时依然能采集到稳定的电压信号。
以上所述的实施例只是本发明较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。