復合電極及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明涉及微生物燃料電池技術領域，具體地，涉及復合電極及其制備方法。
【背景技術】
[0002]微生物燃料電池是一種利用產電微生物將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，它能夠在處理污水的同時獲得電能。相對于傳統的化學電池來說，微生物燃料電池的輸出功率仍然較低，這限制了微生物燃料電池的大規模利用。陽極不僅是產電微生物附著的載體，又是電子傳遞的導體，對微生物燃料電池的輸出功率提高起著至關重要的作用。因此，尋求既能提高產電微生物附著量，又能提高電子傳遞速率的微生物燃料電池陽極材料顯得尤為重要。微生物燃料電池中應用最廣泛的陽極存在生物附著量較少和電子傳遞效率較低的問題，限制了微生物燃料電池的輸出功率，不利于其推廣應用。
[0003]因此，用于微生物電池的復合電極仍有待改進。
【發明內容】
[0004]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種不含有粘結劑、電極電阻低，且產電性能好的用于微生物電池的復合電極。
[0005]需要說明的是，本發明是基于發明人的下列工作而完成的:
[0006]由于石墨稀的具有尚比表面積、尚導電性，一氧化猛具有尚比電容、$父好的生物相容性，發明人以不銹鋼氈或碳氈作為導電基材，使用二氧化錳和石墨烯對其進行修飾得到復合電極。利用該復合電極作為微生物燃料電池陽極，可以有效提升生物的附著量，提高電子從產電微生物到電極的傳遞速率，從而提高了微生物燃料電池的輸出功率。
[0007]因而，根據本發明的一個方面，本發明提供了一種復合電極。根據本發明的實施例，該復合電極包括:導電基材、石墨烯和二氧化錳。
[0008]發明人驚奇地發現，該復合電極不含粘結劑，電極電阻低，活性物質分散性能良好，生物相容性好。并且，該復合電極采用石墨烯作為基材骨架，二氧化錳顆粒可以均勻的分散于比表面積大、導電性優異的石墨烯表面，有效的提高了二氧化錳的表面積，降低了電極的電阻。根據本發明的實施例，將該復合電極應用于微生物燃料電池陽極，可以有效提高陽極的生物附著量，提高了陽極的電子傳遞效率，從而提高微生物燃料電池的產電性能。
[0009]另外，根據本發明上述實施例的復合電極，還可以具有如下附加的技術特征:
[0010]根據本發明的實施例，所述導電基材為不銹鋼氈或碳氈。由此，導電基材的導電性好。根據本發明的一些優選實施例，所述導電基材為不銹鋼氈。由此，導電基材的導電性更佳。
[0011]根據本發明的實施例，所述石墨烯負載于所述導電基材的表面上，所述二氧化錳負載于所述石墨烯和所述導電基材的至少之一上。由此，采用石墨烯作為基體骨架，二氧化錳顆粒可以均勻的分散于比表面積大、導電性優異的石墨烯表面，有效的提高了二氧化錳的表面積，降低了電極的電阻，并且，負載二氧化錳和石墨烯的復合電極，生物相容性好，有利于微生物附著生長。
[0012]根據本發明的又一方面，本發明提供了一種制備前述復合電極的方法。根據本發明的實施例，該方法包括:(I)將氧化石墨烯負載于導電基材表面，以便得到導電基材/氧化石墨烯復合體；(2)將所述導電基材/氧化石墨烯復合體中的氧化石墨烯還原，以便得到導電基材/石墨烯復合體；以及(3)將二氧化錳負載于所述導電基材/石墨烯復合體表面，以便獲得所述復合電極。
[0013]發明人驚奇地發現，利用該方法制備復合電極，制備方法簡單方便，無需使用粘結劑即可實現氧化石墨烯和二氧化錳均勻負載于導電基材的表面。根據本發明的實施例，利用該方法制備的復合電極，該復合電極不含粘結劑，電極的阻力低，活性物質分散、不易團聚，電子傳遞效率高。
[0014]根據本發明的實施例，利用丙酮對所述導電基材進行預處理，以便得到預處理后的導電基材。由此，對導電基材的清潔效果好。
[0015]根據本發明的實施例，將氧化石墨在去離子水中進行超聲分散，以便得到所述氧化石墨烯。由此，制備氧化石墨烯的方法簡便，效果好。
[0016]根據本發明的實施例，利用浸漬法將所述氧化石墨烯負載于所述預處理后的導電基材表面，以便得到導電基材/氧化石墨烯復合體。由此，利用該方法將氧化石墨烯負載于導電基材的表面，無需使用有毒化學試劑，只需將氧化石墨烯制備成氧化石墨烯溶液，通過控制氧化石墨烯溶液的的濃度和浸漬次數，即可實現氧化石墨烯在導電基材表面的均勻負載。
[0017]根據本發明的實施例，所述導電基材/石墨烯復合體是在電解質為硫酸鈉溶液，工作電極為所述導電基材/氧化石墨烯復合體，對電極為鈦片，參比電極為飽和甘汞電極，以及相對于飽和參比電極的恒電勢為-0.8?-1.5V的條件下，采用電化學法將所述導電基材/氧化石墨烯復合體進行還原得到的。由此，利用該方法將氧化石墨烯還原為石墨烯，方法簡單，易操作，無需使用有毒化學試劑，只需控制電勢等參數，即可實現氧化石墨烯的還原。
[0018]根據本發明的實施例，所述將二氧化錳負載于所述導電基材/石墨烯復合體表面是在電解質為硫酸鈉和硫酸錳的混合溶液，工作電極為所述不銹鋼氈-導電基材復合體，對電極為鈦片，參比電極為飽和甘汞電極，以及恒電流為6?1mA的條件下，采用電化學沉積法進行的。由此，利用電化學沉積法，無需使用粘結劑，以硫酸錳和硫酸鈉作為錳源和支持電解質，在恒電流條件下將二氧化錳沉積至復合電極表面，方法簡單方便，通過控制電解質濃度、沉積時間、電流大小即可精確控制二氧化錳負載的量
[0019]根據本發明的實施例，每Icm2所述導電基材負載0.35±0.05mg所述氧化石墨稀。由此，電極比表面積和電容均較大。
[0020]根據本發明的實施例，每Icm2所述導電基材負載0.18±0.05mg所述二氧化猛。由此，電極的比電容較大。
[0021]根據本發明的另一方面，本發明提供了一種微生物燃料電池。根據本發明的實施例，該微生物燃料電池包括:陽極腔室、質子交換膜、陰極腔室和外電路，其中，所述陽極腔室包括:陽極液、陽極和產電微生物，所述陰極腔室包括:陰極液和陰極，所述陽極為前述復合電極。
[0022]發明人驚奇地發現，該生物燃料電池的陽極不含粘結劑，電極的阻力低，活性物質分散、不易團聚，生物相容性好，微生物附著量大，從而，該微生物燃料電池的電子傳遞效率高，產電性能好。
[0023]根據本發明的實施例，所述陰極為碳刷電極。由此，可以確保陰極快速發生反應。
[0024]根據本發明的實施例，所述陽極液為污水，所述陰極液為鐵氰化鉀溶液。由此，陰極電勢得到提高，從而提高微生物燃料電池的輸出電壓，提高產電性能。
[0025]根據本發明的實施例，所述質子交換膜為陽離子交換膜，由此，陽極產生的質子可以通過陽離子交換膜到達陰極，維持陰陽極的PH平衡。
[0026]根據本發明的實施例，所述產電微生物來源于正常產電的微生物燃料電池陽極液出水。由此，微生物的活性好，從而，微生物燃料電池的產電性能好。
[0027]根據本發明的實施例，所述微生物燃料電池為雙室型微生物燃料電池。由此，產電生物附著于陽極之上，降解污水中的有機物，電子通過外電路到達陰極，還原鐵氰化鉀，產生電能。