專利名稱：一種太陽光強(qiáng)化產(chǎn)電的沉積型微生物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源與新材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用太陽光輻射為推動力，采用光敏材料負(fù)載陰極強(qiáng)化微生物燃料電池的產(chǎn)電能力。
背景技術(shù)：
沉積物微生物燃料電池(Sediment Microbial Fuel Cell1SMFC)由埋在厭氧底泥中的陽極和懸于好氧水體中的陰極組成，這種特殊結(jié)構(gòu)使其適用于河流、湖泊或海洋底泥修復(fù)和固體廢棄物處理。與現(xiàn)有的河湖底泥原位處理技術(shù)和生態(tài)疏浚技術(shù)相比，SMFC技術(shù)可以利用天然存在的微生物將底泥中有機(jī)物徹底氧化成CO2和水，過程環(huán)保，無二次污染。SMFC在進(jìn)行底泥原位修復(fù)的同時，還有望為水體中小型耗電裝置如傳感器等供電，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，SMFC目前輸出功率較低，還不能滿足商業(yè)化的要求，因此如何提高體系的產(chǎn)電性能，降低其運(yùn)行成本自然成為了該領(lǐng)域亟待解決的問題。SMFC以空氣中大量存在的氧氣為陰極終端電子受體。雖然氧氣具有較高的還原電勢，但其在陰極表面的還原反應(yīng)(ORR)速率較慢，嚴(yán)重限制了 SMFC的輸出功率。近年來，在陰極表面負(fù)載ORR催化劑如Pt、CoTTMP和FePc等可以顯著提高SMFC體系的輸出功率。然而，Pt催化劑高昂的價格無疑會增大SMFC的成本，限制其實(shí)際應(yīng)用，過渡金屬大環(huán)化合物CoTTMP和FePc雖然也具有ORR催化活性但是穩(wěn)定性較差，電極性能會隨著運(yùn)行時間的延長不斷衰減。光催化材料又稱光觸媒，在光激發(fā)下，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶位置，在導(dǎo)帶形成光生電子，在價帶形成光生空穴。光生電子和空穴在內(nèi)部電場作用下分離并遷移到材料表面，進(jìn)而在表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。一方面光生電子進(jìn)入電路傳遞給陰極終端電子受體O2，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；另一方面光生空穴具有強(qiáng)氧化性，可以氧化陰極區(qū)有機(jī)物，保持陰極附近溶氧濃度維持在較高水平。最終提高SMFC體系的輸出電壓和功率密度。Lu等(EnergyFuels, 2010, 24:1184-1190)將具有光催化活性的天然金紅石粉末負(fù)載在陰極表面，以O(shè)2作為陰極終端電子受體，運(yùn)行雙室MFC發(fā)現(xiàn)，體系的最大功率密度由5.73W/m3增大到12.03W/m3，但是目前這種光敏陰極并未用于太陽光輻射下強(qiáng)化SMFC產(chǎn)電和沉積物有機(jī)質(zhì)去除的報(bào)道。這種太陽光輻射強(qiáng)化產(chǎn)電的SMFC尤其適用于在自然水體中。在富營養(yǎng)底泥原位修復(fù)的同時，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并提高SMFC對陽極沉積物中有機(jī)物的去除效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種太陽光強(qiáng)化產(chǎn)電的沉積物微生物燃料電池，其陰極采用光敏材料負(fù)載電極。SMFC光敏陰極的制備方法，將光敏材料與導(dǎo)電劑(活性炭、乙炔黑、碳纖維、碳納米管、科琴黑和石墨烯)和粘結(jié)劑(Nafion溶液、PTFE乳液和PVDF乳液)按照一定比例混合均勻成漿料。將該漿料均勻地噴涂于電極基材(碳紙、碳布、碳?xì)?、活性炭纖維氈和石墨氈)上，形成SMFC光敏陰極。具體的制備步驟如下:I)將光敏材料與一種或多種導(dǎo)電劑按比例混合；2)向上述混合物中加入一定體積的粘結(jié)劑并均勻混合成漿狀物；3)將上述漿狀物均勻地噴涂或涂覆于電極基材上；4)烘箱中40° C下干燥。所述光敏材料和導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為1:0.05 1:1。所述光敏材料包括Ti02、Ti02-Zn0、Ti02-W、BiV04、Bi2W06或Cu2O中的一種或多種。所述導(dǎo)電劑為活性炭或者乙炔黑、碳纖維、碳納米管、科琴黑或石墨烯中的一種或多種。所述粘結(jié)劑為聚四氟乙烯(PTFE)乳液、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液或Nafion溶液中一種或多種。本發(fā)明所述的沉積型微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)包括光敏陰極，碳紙、碳布、碳?xì)?、活性炭纖維氈或石墨氈陽極，電極支架，外導(dǎo)線以及100 1000 Ω外電阻。本發(fā)明將光敏陰極沉積型微生物燃料電池置于天然河湖沉積物或市政污泥中，以太陽光輻射為推動力，激發(fā)光敏材料產(chǎn)生光生電子和空穴，強(qiáng)氧化性空穴氧化陰極區(qū)有機(jī)質(zhì)，使得陰極區(qū)溶氧保持在較高濃度，另一方面光生電子進(jìn)入電路參與ORR反應(yīng)，從而強(qiáng)化沉積型微生物燃料電池的輸出電壓和輸出功率。本發(fā)明采用光敏陰極強(qiáng)化沉積型微生物燃料電池，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時，促進(jìn)沉積型微生物燃料電池的產(chǎn)電能力及其對河湖沉積物或市政污泥中有機(jī)質(zhì)的去除效率，具有極大的實(shí)用價值。


圖1為太陽光強(qiáng)化產(chǎn)電的沉積型微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖外接電阻1，光敏陰極2，電極支架3，陽極4以及外導(dǎo)線5。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明所述的太陽光強(qiáng)化的沉積型微生物燃料電池太陽光強(qiáng)化產(chǎn)電的沉積型微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，外接電阻1，光敏陰極2，電極支架3，陽極4以及外導(dǎo)線
5。其產(chǎn)電過程為:將一定體系的河湖沉積物加入圓柱形容器中淹沒過陽極，加入一定體積的磷酸鹽緩沖溶液或自然河水、湖水作為陰極電解液。靜置后形成泥水分界面，泥水界面以下為陽極區(qū)，以上為陰極區(qū)。陽極區(qū)，微生物在厭氧條件下氧化沉積物種的有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生電子，質(zhì)子，CO2或氧化中間體等。電子經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移到陰極。在陰極表面終端電子受體O2與電子和質(zhì)子反應(yīng)生成 h2o。光敏材料的作用在于,在太陽光福射下，光敏材料能夠產(chǎn)生光生電子和空穴，強(qiáng)氧化性空穴氧化陰極區(qū)有機(jī)質(zhì)，使得陰極區(qū)溶氧保持在較高濃度，另一方面光生電子進(jìn)入電路參與ORR反應(yīng)，從而強(qiáng)化沉積型微生物燃料電池的輸出電壓和輸出功率。實(shí)例I
光敏電極的制備:分別稱取一定質(zhì)量的Ti02、TiO2-ZnO和TiO2-W與乙炔黑導(dǎo)電劑按照質(zhì)量比7:3混合，分別加入一定體積的60%的PTFE乳液，調(diào)整濃度為1.5mL/g。混合均勻后分別均勻地涂覆于石墨氈上，在40° C烘箱中干燥后待用。沉積型微生物燃料電池性能測試如附圖1所示，將陰陽極分別放在支架上置于2L圓柱形容器中，聯(lián)接外導(dǎo)線和500 Ω外阻，先后加入800mL湖底沉積物和800mL pH為7.0的磷酸鹽緩沖溶液，靜止后形成明顯的泥水界面，接通電路，記錄體系的輸出電壓。空白陰極，Ti02、TiO2-ZnO和TiO2-W光
敏陰極體系的最大輸出電壓分別為:
權(quán)利要求
1.一種太陽光強(qiáng)化產(chǎn)電的沉積型微生物燃料電池，其特征在于陰極采用光敏材料負(fù)載電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于所述光敏材料為Ti02、TiO2-ZnO,TiO2-W, BiVO4, Bi2WO6 或 Cu2O 及其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其特征在于所述陰極光敏材料的負(fù)載方法是將配制好的光敏材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合液固定于電極基材表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于所述導(dǎo)電劑為活性炭、乙炔黑、碳纖維、碳納米管、科琴黑或石墨烯及其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于所述粘結(jié)劑為聚四氟乙烯乳液、Nafion溶液或聚偏氟乙烯溶液及其組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于所述電極基材為碳紙、碳布、碳?xì)?、活性炭纖維氈或石墨氈及其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征在于所述所述光敏材料和導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為 1:0.05 1:1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽光強(qiáng)化產(chǎn)電的沉積物微生物燃料電池，采用光敏材料負(fù)載電極為陰極，利用淤泥中的產(chǎn)電微生物為催化劑將河湖底泥或市政污泥中的有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生電能。同時利用太陽光輻射產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性空穴加快電子由陽極向陰極的傳遞及其在陰極表面的消耗，促進(jìn)自然水體污染底泥原位修復(fù)和市政污泥減量化的同時產(chǎn)生清潔電能，具有極大的實(shí)際應(yīng)用價值。
文檔編號H01M8/16GK103199290SQ20131008212
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者任月萍, 陳陽, 李秀芬, 王新華, 朱春燕, 康軍 申請人:江南大學(xué)