專利名稱：一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池復(fù)合材料陽極及制造方法。
背景技術(shù)：
目前，世界上許多國家都面臨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的嚴(yán)峻問題，隨著全球新能源與可持續(xù)能源的研究和開發(fā)，微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells, MFC)的研究，特別是微生物燃料電池陽極與陰極的研究與制造，成為當(dāng)今世界解決環(huán)境與能源危機(jī)這兩大難題的重要途徑之一。作為處理污染物與產(chǎn)電雙重功能的MFC技術(shù)，受到各國的廣泛關(guān)注， 微生物燃料電池的產(chǎn)電功效與有機(jī)污染物去除率是該領(lǐng)域的二大指標(biāo)，國內(nèi)外研究大都處于科研或?qū)嶒?yàn)階段，沒有實(shí)質(zhì)性的突破。MFC是利用不同的碳水化合物和廢水中的各種物質(zhì)，通過微生物作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳輸?shù)郊?xì)胞膜上，然后電子從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到電池陽極，經(jīng)外電路，陽極上的電子到達(dá)陰極，產(chǎn)生外電流；同時(shí)將產(chǎn)生的氫離子通過質(zhì)子交換膜(PEM)傳遞到陰極，在陰極質(zhì)子與電子、氧發(fā)生反應(yīng)生成水，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)電荷的傳遞，從而完成整個(gè)生物電化學(xué)過程和能量轉(zhuǎn)化過程。微生物燃料電池是一種結(jié)合了廢水處理和生物產(chǎn)電的新技術(shù)，能在微生物降解有機(jī)廢物的同時(shí)產(chǎn)生電能，且不排放污染物。MFC利用有機(jī)物產(chǎn)電的整個(gè)過程中，起決定作用的是電子在陽極區(qū)的傳遞。此過程中，細(xì)胞內(nèi)電子轉(zhuǎn)移是利用微生物氧化代謝中的呼吸鏈，使電子經(jīng)NADH脫氫酶、輔酶Q、泛醌、細(xì)胞色素等，或者微生物膜表面的氫化酶轉(zhuǎn)移出細(xì)胞，然后在細(xì)胞外的電子還必須通過與膜關(guān)聯(lián)物質(zhì)，或者可溶性氧化還原介體轉(zhuǎn)移到電極上。傳遞速率的快慢將影響MFC最終產(chǎn)電能力的多少，傳遞速率的因素當(dāng)中電極材料的選擇對(duì)最終產(chǎn)能效率有著決定性的影響，而陽極材料的吸附性能與導(dǎo)電性能是主要指標(biāo)；目前的陽極材料主要以常規(guī)碳為基材，包括碳紙、碳布、石墨片、石墨棒、碳?xì)趾团菽膯我徊牧线M(jìn)行制作，而對(duì)已有陽極材料的修飾和新型陽極材料的開發(fā)力度還不夠。目前陽極主要為平板式和填料式兩種，前者的缺點(diǎn)是增大陽極面積必須增加反應(yīng)器體積，不利于電池的微型化開發(fā)，而后者雖能增大微生物附著的表面積，但就單位表面微生物產(chǎn)電來看，兩者的產(chǎn)電性能沒有顯著差異。Morozan等發(fā)現(xiàn)，碳納米管和產(chǎn)電微生物具有很高的生物相容性。梁鵬等分別以碳納米管、活性碳及柔性石墨作陽極材料，測(cè)定其表面特性、產(chǎn)電性能和功率密度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以碳納米管作陽極時(shí)功率密度最大G02mW/m2)。黃素德等以銅、鋁、鐵等金屬作陽極，發(fā)現(xiàn)這些金屬電極性能優(yōu)越，生物吸附性好且成本低廉。然而，這些材料和方法處于實(shí)驗(yàn)研究階段，產(chǎn)電功率和有機(jī)污染物的去除率沒有得到明顯提高，整體實(shí)際應(yīng)用受到限制。綜上所述，MFC的陽極材料結(jié)構(gòu)與性能直接影響微生物燃料電池產(chǎn)電能力和對(duì)有機(jī)污染物的去除效率的提高這主要表現(xiàn)在陽極導(dǎo)電率差、電極表面積小、生物相容性差、 化學(xué)穩(wěn)定性差、產(chǎn)電微生物附著少和電子在微生物和陽極間傳遞阻力大；對(duì)MFC陽極的修飾，找尋兼具生物催化性和生物相容性的材料，并將其與普通電極材料進(jìn)行固定以及MFC
4高性能陽極材料的研究，是促進(jìn)微生物細(xì)胞內(nèi)電子向陽極表面轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，更是有效提高 MFC的產(chǎn)電性能及有機(jī)污染物的去除率的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決微生物燃料電池產(chǎn)電能力低，以及對(duì)水體或沉積物中有機(jī)污染物去除率低的問題，進(jìn)而提供一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極及制造方法。本發(fā)明為解決上述問題而采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，所述的陽極是一種壓制件，該陽極包括第一金屬絲網(wǎng)層、第一非金屬板層、第二金屬絲網(wǎng)層、第二非金屬板層和第三金屬絲網(wǎng)層，第二非金屬板層位于第一金屬絲網(wǎng)層和第二金屬絲網(wǎng)層之間，第二非金屬板層設(shè)置在第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層之間，所述的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層的金屬絲上均具有滲氮和滲碳復(fù)合層，所述的第一非金屬板層和第二非金屬板層的材料均為碳基材料，所述的第二金屬絲網(wǎng)層的金屬絲網(wǎng)的孔徑小于第一金屬絲網(wǎng)層的金屬絲網(wǎng)的孔徑，第二金屬絲網(wǎng)層的金屬絲網(wǎng)的孔徑小于第三金屬絲網(wǎng)層的金屬絲網(wǎng)的孔徑。本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極的制造方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別進(jìn)行無規(guī)刻蝕處理將已制作好的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層預(yù)先用水清洗， 將清洗后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別置于雙電極刻蝕反應(yīng)池的陽極上，同時(shí)向所述反應(yīng)池內(nèi)加入刻蝕劑，保持陰陽電極間距為6 Hcm，在電壓為 5 9V，電流為148 288A條件下，反應(yīng)Hmin 58min，其中刻蝕劑是由lmol/L的鹽酸和 lmol/L的硝酸按體積比為100 2 100 4的比例配成或者是質(zhì)量百分比濃度為10% 的氫氟酸；二、將經(jīng)步驟一處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別用水清洗后，自然干燥，再經(jīng)丙酮清洗；三、液相等離子體電解雙向碳氮共滲處理將經(jīng)步驟二處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別放入等離子體電解池中，將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為0. 9 1. ΙΑ/cm2、工作電壓為222 M8V和電解液工作溫度為22°C 43°C的條件下，處理時(shí)間為3. 2 4. 8min，所述的電解液由尿素、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成或者由尿素、氯化鈉和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成；四、將經(jīng)步驟三處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層用水清洗，再用酒精清洗，自然干燥；五、將經(jīng)步驟四處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層與已制作好的第一非金屬板層和第二非金屬板層按照順序疊放在一起形成預(yù)壓件，疊放的順序依次是第一金屬絲網(wǎng)層、第一非金屬板層、第二金屬絲網(wǎng)層、第二非金屬板層和第三金屬絲網(wǎng)層，通過壓力機(jī)對(duì)所述預(yù)壓件進(jìn)行壓制，當(dāng)壓制壓力達(dá)到0. 2 0. 8MPa/cm2時(shí)，停止壓制，并將相鄰金屬絲網(wǎng)焊接，制得半成品； 六、液相等離子體電解雙向滲碳處理，將經(jīng)步驟五制得的半成品，放入等離子體電解池中， 將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為0. 9 1. ΙΑ/cm2、工作電壓為222 M8V和電解液工作溫度為22°C 43°C的條件下，處理時(shí)間為3. 2 4. 8min，所述的電解液由甲酰胺、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成或者由甲酰胺、氯化鈉和水按質(zhì)量比為8.5 0.5 1的比例配成；七、將經(jīng)步驟六處理后得到的復(fù)合材料用水清洗，自然干燥，
5切割成型，即制得一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明復(fù)合材料陽極的金屬絲網(wǎng)的金屬絲上具有滲氮和滲碳復(fù)合層，使金屬絲表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有利于金屬相與碳相、生物相的相容，有利于陽極微生物電子轉(zhuǎn)移和降低氧化電位，增加陽極導(dǎo)電率，提高微生物在陽極表面的氧化反應(yīng)速度，非金屬碳基材料與金屬絲網(wǎng)的機(jī)械復(fù)合，碳氮共滲，使金屬相與碳基材料相即有機(jī)械性牢固壓接，也具有共滲碳產(chǎn)生的等離子納米導(dǎo)管微結(jié)構(gòu)，大大降低了微生物燃料電池的內(nèi)阻，提高了陽極電子傳遞速率，提高了整體復(fù)合材料的功效與性能。(2)本發(fā)明的內(nèi)層金屬絲網(wǎng)孔徑和外層金屬絲網(wǎng)孔徑的選擇，確保了整體材料能發(fā)揮出更好的微生物附著面積與附著數(shù)量，增大電子傳遞速率，也使微生物細(xì)菌可獲得更多的匹配空穴，內(nèi)層金屬絲網(wǎng)孔徑比較小，使碳基材料層與內(nèi)層金屬絲網(wǎng)有更多的相間連接，增加電子傳遞速度；外層金屬絲網(wǎng)孔徑比較大，確保碳基材料層的牢固，同時(shí)也使碳基材料層有更多的表面積與微生物相接觸，確保微生物在陽極的附著面積，增加了微生物在陽極上的附著量。(3)本發(fā)明的金屬絲網(wǎng)經(jīng)過無規(guī)刻蝕處理，強(qiáng)化了奧氏體晶間結(jié)構(gòu)，使金屬絲表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增加了表面積、微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出尖銳化特征；本發(fā)明金屬絲網(wǎng)經(jīng)過雙向碳氮共滲，金屬絲網(wǎng)與非金屬碳基材料機(jī)械復(fù)合、雙向滲碳，由于金屬絲網(wǎng)層與碳基材料層的滲碳，外層金屬絲網(wǎng)在滲碳過程中，隨著等離子源的移動(dòng)，由于內(nèi)層金屬絲網(wǎng)具有間隙性狀分布，使不同位置的放電源對(duì)應(yīng)于同一點(diǎn)金屬絲而言，會(huì)形成不同的放電角度，因此，碳源的滲入是多角度交錯(cuò)式發(fā)生的，即具有宏觀的導(dǎo)電電子傳遞定向性，又具有微觀碳納米通道和空穴的交錯(cuò)、立體式結(jié)構(gòu)，這些微觀的碳納米管與空穴是微生物附著的基礎(chǔ)，也是微生物發(fā)生快速電子傳遞的基礎(chǔ)條件，使金屬相與碳基相即有機(jī)械性牢固壓接，因此，大大降低了微生物燃料電池的陽極內(nèi)阻，有效的提高了微生物產(chǎn)生的電子在碳基材料相與金屬相的傳遞速率，提高微生物在陽極表面的氧化反應(yīng)速率，提高了整體復(fù)合材料的功效與性能。(4)本發(fā)明陽極的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)極大的優(yōu)化了 MFC的性能，本發(fā)明復(fù)合材料陽極的電阻率為<0.5Ω · mm，復(fù)合材料陽極的比表面積> 1. 8m2/g，將本發(fā)明的復(fù)合材料陽極運(yùn)用到微生物燃料電池(MFC)，功率密度達(dá)到4402mW/m3，相比現(xiàn)有的功率密度402mW/ m2，功率密度有了很大的提高；MFC的啟動(dòng)時(shí)間為72小時(shí)，相比現(xiàn)有的MFC啟動(dòng)時(shí)間100 300小時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間提高了 28% 76%，有利于產(chǎn)電效能的快速發(fā)揮；電壓峰值為8. 32V, 并能長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，相比現(xiàn)有的電壓峰值7V，電壓峰值提高了 18.9% ；產(chǎn)電能力達(dá)到 4009. 6mff/m3 ；BOD去除率為90. 5%，相比現(xiàn)有的BOD去除率82. 5%，去除率提高了 9. 7% ； 本發(fā)明的復(fù)合材料陽極適用于大面積水中有機(jī)污染物或封閉水體以及不同深度的水體沉積物中有機(jī)污染物的處理，適用性好，適合工業(yè)化應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明復(fù)合材料陽極的整體結(jié)構(gòu)主視圖，圖2是圖1的左視圖，圖3是圖 1的俯視圖，圖4是具體實(shí)施方式
十六制得的復(fù)合材料陽極的碳?xì)謱颖砻骐娮语@微鏡照片圖，圖5是具體實(shí)施方式
十六制得的復(fù)合材料陽極的鈦金屬絲網(wǎng)層電子顯微鏡照片圖，圖 6是具體實(shí)施方式
十六制得的復(fù)合材料陽極的碳?xì)謱雍外伣饘俳z網(wǎng)層交界面電子顯微鏡照片圖，圖7是具體實(shí)施方式
十六制得的復(fù)合材料陽極的碳?xì)謱油干潆娮语@微鏡照片圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1 圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極是一種壓制件，該陽極包括第一金屬絲網(wǎng)層1、第一非金屬板層2、第二金屬絲網(wǎng)層3、第二非金屬板層4和第三金屬絲網(wǎng)層5，第二非金屬板層2位于第一金屬絲網(wǎng)層1和第二金屬絲網(wǎng)層3之間，第二非金屬板層4設(shè)置在第二金屬絲網(wǎng)層3和第三金屬絲網(wǎng)層5之間，所述的第一金屬絲網(wǎng)層1、第二金屬絲網(wǎng)層3和第三金屬絲網(wǎng)層5的金屬絲上均具有滲氮和滲碳復(fù)合層，所述的第一非金屬板層4和第二非金屬板層5的材料均為碳基材料，所述的第二金屬絲網(wǎng)層3的金屬絲網(wǎng)的孔徑小于第一金屬絲網(wǎng)層1的金屬絲網(wǎng)的孔徑，第二金屬絲網(wǎng)層3的金屬絲網(wǎng)的孔徑小于第三金屬絲網(wǎng)層5的金屬絲網(wǎng)的孔徑。本實(shí)施方式的第一金屬絲網(wǎng)層1的金屬絲網(wǎng)的孔徑與第三金屬絲網(wǎng)層5的金屬絲網(wǎng)的孔徑相等或者不相等。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的第二金屬絲網(wǎng)層3為鈦金屬絲網(wǎng)層、鎳金屬絲網(wǎng)層、316不銹鋼絲網(wǎng)層或316L不銹鋼絲網(wǎng)層中的其中一種。如此設(shè)置，可有效提高產(chǎn)品的防腐能力，適合不同水域的水體。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的第二金屬絲網(wǎng)層3的金屬絲網(wǎng)為方孔網(wǎng)，第二金屬絲網(wǎng)層3的金屬絲的絲徑為0. 5 5. 0mm，第二金屬絲網(wǎng)層3的金屬絲網(wǎng)的孔徑為3 30mm。如此設(shè)置，滿足設(shè)計(jì)要求。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的第一金屬絲網(wǎng)層1為鈦金屬絲網(wǎng)層、鎳金屬絲網(wǎng)層、316不銹鋼絲網(wǎng)層或316L不銹鋼絲網(wǎng)層中的其中一種。如此設(shè)置，可有效提高產(chǎn)品的防腐能力，適合不同水域的水體。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖1 圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的第三金屬絲網(wǎng)層5為鈦金屬絲網(wǎng)層、鎳金屬絲網(wǎng)層、316不銹鋼絲網(wǎng)層或316L不銹鋼絲網(wǎng)層中的其中一種。如此設(shè)置，可有效提高產(chǎn)品的防腐能力，適合不同水域的水體。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖1 圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的第一金屬絲網(wǎng)層1和第三金屬絲網(wǎng)層5的金屬絲網(wǎng)均為方孔網(wǎng)，第一金屬絲網(wǎng)層1和第三金屬絲網(wǎng)層5 的金屬絲的絲徑均為0. 5 5. Omm,第一金屬絲網(wǎng)層1和第三金屬絲網(wǎng)層5的金屬絲網(wǎng)的孔徑均為10. 5 105mm。如此設(shè)置，使內(nèi)層金屬絲網(wǎng)的孔徑與外層金屬絲網(wǎng)的孔徑具有一定的匹配比例，內(nèi)層金屬絲網(wǎng)的孔徑與外層金屬絲網(wǎng)的孔徑之比為1 (3-15)，有利于增大微生物附著面積與附著數(shù)量，增大電子傳遞速率，提高產(chǎn)電能量。其它與具體實(shí)施方式
一、 二、四或五相同。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的第一非金屬板層2和第二非金屬板層4的厚度均為2 16mm，第一非金屬板層2和第二非金屬板層 4的材料相同，材料均為碳?xì)?、柔性石墨或泡沫石墨中的其中一種。如此設(shè)置，材料性能優(yōu)良，與金屬絲網(wǎng)機(jī)械復(fù)合和共滲碳，將產(chǎn)生眾多的微觀碳納米管通道，使金屬相與碳基材料相即有機(jī)械性牢固壓接，也具有共滲碳產(chǎn)生的等離子納米導(dǎo)管微結(jié)構(gòu)，因此，大大降低了微生物燃料電池的內(nèi)阻，提高了整體材料微生物附著量及電子傳遞速率。滿足設(shè)計(jì)要求。其它與具體實(shí)施方式
一、二、四或五相同。
具體實(shí)施方式
八結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的第一非金屬板層2和第二非金屬板層4的材料均為碳?xì)?，第一非金屬板?和第二非金屬板層4與第二金屬絲網(wǎng)層3相貼靠的端面上均具有柔性石墨涂層。如此設(shè)置，更有利于產(chǎn)生眾多的微觀碳納米管通道，提高了復(fù)合材料的功效和性能，滿足設(shè)計(jì)要求。其它與具體實(shí)施方式
七相同。
具體實(shí)施方式
九一種實(shí)現(xiàn)具體實(shí)施方式
一所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極的制造方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別進(jìn)行無規(guī)刻蝕處理將已制作好的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層預(yù)先用水清洗，將清洗后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別置于雙電極刻蝕反應(yīng)池的陽極上，同時(shí)向所述反應(yīng)池內(nèi)加入刻蝕劑，保持陰陽電極間距為6 Hcm，在電壓為5 9V，電流為148 條件下，反應(yīng)Hmin 58min，其中刻蝕劑是由lmol/L的鹽酸和lmol/L的硝酸按體積比為100 2 100 4的比例配成或者是質(zhì)量百分比濃度為10%的氫氟酸；二、將經(jīng)步驟一處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別用水清洗后，自然干燥，再經(jīng)丙酮清洗；三、液相等離子體電解雙向碳氮共滲處理將經(jīng)步驟二處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別放入等離子體電解池中，將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為0.9 1. ΙΑ/cm2、工作電壓為222 M8V和電解液工作溫度為22°C 43°C的條件下，處理時(shí)間為
3.2 4. 8min，所述的電解液由尿素、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8. 5 0. 5 1的比例配成或者由尿素、氯化鈉和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成；四、將經(jīng)步驟三處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層用水清洗，再用酒精清洗，自然干燥 ’五、 將經(jīng)步驟四處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層與已制作好的第一非金屬板層和第二非金屬板層按照順序疊放在一起形成預(yù)壓件，疊放的順序依次是第一金屬絲網(wǎng)層、第一非金屬板層、第二金屬絲網(wǎng)層、第二非金屬板層和第三金屬絲網(wǎng)層，通過壓力機(jī)對(duì)所述預(yù)壓件進(jìn)行壓制，當(dāng)壓制壓力達(dá)到0. 2 0. 8MPa/cm2時(shí)，停止壓制，并將相鄰金屬絲網(wǎng)焊接，制得半成品；六、液相等離子體電解雙向滲碳處理，將經(jīng)步驟五制得的半成品，放入等離子體電解池中，將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為0. 9 1. IA/ cm2、工作電壓為222 M8V和電解液工作溫度為22°C 43°C的條件下，處理時(shí)間為3. 2
4.8min，所述的電解液由甲酰胺、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8.5 0.5 1的比例配成或者由甲酰胺、氯化鈉和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成；七、將經(jīng)步驟六處理后得到的復(fù)合材料用水清洗，自然干燥，切割成型，即制得一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九不同點(diǎn)是步驟一中的陰陽電極間距為8 12cm，在電壓為6 8V，電流為150 條件下，反應(yīng)16min 56min，其中刻蝕劑是由lmol/L的鹽酸和lmol/L的硝酸按體積比為100 2. 5 100 3. 5的比例配成。其它與具體實(shí)施方式
九相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九或十不同點(diǎn)是步驟一中的陰陽電極間距為10cm，在電壓為7V，電流為220A條件下，反應(yīng)36min，其中刻蝕劑是由lmol/L 的鹽酸和lmol/L的硝酸按體積比為100 3的比例配成。其它與具體實(shí)施方式
九或十相同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九至十一不同點(diǎn)是步驟三中的電流密度為ΙΑ/cm2、工作電壓為225V和電解液工作溫度為的條件下，處理時(shí)間為 4.5min。其它與具體實(shí)施方式
九至十一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九至十二不同點(diǎn)是步驟五中的壓制壓力達(dá)到0. 4 0. 6MPa/cm2時(shí)，停止壓制。其它與具體實(shí)施方式
九至十二相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九至十三不同點(diǎn)是步驟五中的壓制壓力達(dá)到0. 5MPa/cm2時(shí)，停止壓制。其它與具體實(shí)施方式
九至十三相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九至十四不同點(diǎn)是步驟六中的電流密度為ΙΑ/cm2、工作電壓為230V和電解液工作溫度為25°C的條件下，處理時(shí)間為 % η。其它與具體實(shí)施方式
九至十四相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極的制造方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別進(jìn)行無規(guī)刻蝕處理將已制作好的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層預(yù)先用水清洗，將清洗后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別置于雙電極刻蝕反應(yīng)池的陽極上，同時(shí)向所述反應(yīng)池內(nèi)加入刻蝕劑，保持陰陽電極間距為12cm，在電壓為7V，電流為220A條件下，反應(yīng)40min，其中刻蝕劑是由lmol/L的鹽酸和lmol/L的硝酸按體積比為100 3的比例配成或者是質(zhì)量百分比濃度為10%的氫氟酸；二、將經(jīng)步驟一處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別用水清洗后，自然干燥，再經(jīng)丙酮清洗；三、液相等離子體電解雙向碳氮共滲處理將經(jīng)步驟二處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別放入等離子體電解池中，將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為ΙΑ/cm2、工作電壓為235V和電解液工作溫度為的條件下， 處理時(shí)間為3. 5min，所述的電解液由尿素、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8. 5 0. 5 1的比例配成或者由尿素、氯化鈉和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成；四、將經(jīng)步驟三處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層用水清洗，再用酒精清洗，自然干燥；五、將經(jīng)步驟四處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層與已制作好的第一非金屬板層和第二非金屬板層按照順序疊放在一起形成預(yù)壓件，疊放的順序依次是第一金屬絲網(wǎng)層、第一非金屬板層、第二金屬絲網(wǎng)層、第二非金屬板層和第三金屬絲網(wǎng)層，通過壓力機(jī)對(duì)所述預(yù)壓件進(jìn)行壓制，當(dāng)壓制壓力達(dá)到0. 5MPa/cm2時(shí)，停止壓制，并將相鄰金屬絲網(wǎng)焊接，制得半成品；六、液相等離子體電解雙向滲碳處理，將經(jīng)步驟五制得的半成品，放入等離子體電解池中，將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為ΙΑ/cm2、工作電壓為230V和電解液工作溫度為25°C的條件下，處理時(shí)間為細(xì)化，所述的電解液由甲酰胺、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成或者由甲酰胺、氯化鈉和水按質(zhì)量比為8.5 0.5 1的比例配成；七、將經(jīng)步驟六處理后得到的復(fù)合材料用水清洗，自然干燥， 切割成型，即制得一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極。本實(shí)施方式中第一金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層的絲徑均為1.0-4. 0mm，金屬絲網(wǎng)的孔徑均為60-90mm，所述的第一金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層為316不銹鋼金屬絲網(wǎng)層；第二金屬絲網(wǎng)層的絲徑為1.0-4. 0mm，孔徑為10_25mm，所述的第二金屬絲網(wǎng)層為鈦金屬絲網(wǎng)層，第一非金屬板層和第二非金屬板層的厚度均為6-12mm，材料均為碳?xì)帧?
本實(shí)施方式制得的復(fù)合材料陽極的碳?xì)謱颖砻骐娮语@微鏡照片如圖4所示，從圖 4中可以看出，碳?xì)謱颖砻婢哂刑技{米管通道，本實(shí)施方式制得的復(fù)合材料陽極的鈦金屬絲網(wǎng)層電子顯微鏡照片如圖5所示，從圖5中可以看出，鈦金屬絲網(wǎng)層具有碳納米管結(jié)構(gòu)，圖 6是本實(shí)施方式制得的復(fù)合材料陽極的碳?xì)謱雍外伣饘俳z網(wǎng)層交界面電子顯微鏡照片，從圖6中可以看出，復(fù)合材料陽極具有碳納米管通道和空穴結(jié)構(gòu)，碳納米管、金屬離子橋接在鈦金屬絲網(wǎng)層和碳?xì)謱咏M織中，圖7是本實(shí)施方式制得的復(fù)合材料陽極的碳?xì)謱与娮语@微鏡照片如圖7所示，從圖7中可以看出，碳?xì)謱泳哂卸啾谔技{米管結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于所述的陽極是一種壓制件，該陽極包括第一金屬絲網(wǎng)層(1)、第一非金屬板層O)、第二金屬絲網(wǎng)層(3)、第二非金屬板層 (4)和第三金屬絲網(wǎng)層(5)，第二非金屬板層( 位于第一金屬絲網(wǎng)層(1)和第二金屬絲網(wǎng)層(3)之間，第二非金屬板層(4)設(shè)置在第二金屬絲網(wǎng)層C3)和第三金屬絲網(wǎng)層( 之間， 所述的第一金屬絲網(wǎng)層(1)、第二金屬絲網(wǎng)層(3)和第三金屬絲網(wǎng)層( 的金屬絲上均具有滲氮和滲碳復(fù)合層，所述的第一非金屬板層(4)和第二非金屬板層(5)的材料均為碳基材料，所述的第二金屬絲網(wǎng)層(3)的金屬絲網(wǎng)的孔徑小于第一金屬絲網(wǎng)層(1)的金屬絲網(wǎng)的孔徑，第二金屬絲網(wǎng)層(3)的金屬絲網(wǎng)的孔徑小于第三金屬絲網(wǎng)層(5)的金屬絲網(wǎng)的孔徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于所述的第二金屬絲網(wǎng)層⑶為鈦金屬絲網(wǎng)層、鎳金屬絲網(wǎng)層、316不銹鋼絲網(wǎng)層或316L不銹鋼絲網(wǎng)層中的其中一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于所述的第二金屬絲網(wǎng)層(3)的金屬絲網(wǎng)為方孔網(wǎng)，第二金屬絲網(wǎng)層(3)的金屬絲的絲徑為 0. 5 5. 0mm，第二金屬絲網(wǎng)層(3)的金屬絲網(wǎng)的孔徑為3 30謹(jǐn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于所述的第一金屬絲網(wǎng)層⑴為鈦金屬絲網(wǎng)層、鎳金屬絲網(wǎng)層、316不銹鋼絲網(wǎng)層或316L不銹鋼絲網(wǎng)層中的其中一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于所述的第三金屬絲網(wǎng)層(5)為鈦金屬絲網(wǎng)層、鎳金屬絲網(wǎng)層、316不銹鋼絲網(wǎng)層或316L不銹鋼絲網(wǎng)層中的其中一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于 所述的第一金屬絲網(wǎng)層(1)和第三金屬絲網(wǎng)層(5)的金屬絲網(wǎng)均為方孔網(wǎng)，第一金屬絲網(wǎng)層(1)和第三金屬絲網(wǎng)層( 的金屬絲的絲徑均為0.5 5. 0mm，第一金屬絲網(wǎng)層(1)和第三金屬絲網(wǎng)層(5)的金屬絲網(wǎng)的孔徑均為10. 5 105mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于 所述的第一非金屬板層( 和第二非金屬板層的厚度均為2 16mm，第一非金屬板層 (2)和第二非金屬板層的材料相同，材料均為碳?xì)?、柔性石墨或泡沫石墨中的其中一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極，其特征在于所述的第一非金屬板層( 和第二非金屬板層的材料均為碳?xì)?，第一非金屬板? 和第二非金屬板層(4)與第二金屬絲網(wǎng)層( 相貼靠的端面上均具有柔性石墨涂層。
9.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極的制造方法，其特征在于該方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別進(jìn)行無規(guī)刻蝕處理將已制作好的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層預(yù)先用水清洗，將清洗后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別置于雙電極刻蝕反應(yīng)池的陽極上，同時(shí)向所述反應(yīng)池內(nèi)加入刻蝕劑，保持陰陽電極間距為6 14cm，在電壓為5 9V，電流為148 條件下，反應(yīng)14min 58min，其中刻蝕劑是由lmol/L的鹽酸和lmol/L的硝酸按體積比為100 2 100 4的比例配成或者是質(zhì)量百分比濃度為10%的氫氟酸；二、將經(jīng)步驟一處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別用水清洗后，自然干燥，再經(jīng)丙酮清洗；三、液相等離子體電解雙向碳氮共滲處理將經(jīng)步驟二處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層分別放入等離子體電解池中，將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為0. 9 1. IA/ cm2、工作電壓為222 M8V和電解液工作溫度為22°C 43°C的條件下，處理時(shí)間為3. 2 4. 8min，所述的電解液由尿素、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8. 5 0. 5 1的比例配成或者由尿素、氯化鈉和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成；四、將經(jīng)步驟三處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層用水清洗，再用酒精清洗，自然干燥；五、將經(jīng)步驟四處理后的第一金屬絲網(wǎng)層、第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層與已制作好的第一非金屬板層和第二非金屬板層按照順序疊放在一起形成預(yù)壓件，疊放的順序依次是第一金屬絲網(wǎng)層、第一非金屬板層、第二金屬絲網(wǎng)層、第二非金屬板層和第三金屬絲網(wǎng)層，通過壓力機(jī)對(duì)所述預(yù)壓件進(jìn)行壓制，當(dāng)壓制壓力達(dá)到0. 2 0. 8MPa/cm2時(shí)，停止壓制，并將相鄰金屬絲網(wǎng)焊接，制得半成品；六、液相等離子體電解雙向滲碳處理，將經(jīng)步驟五制得的半成品，放入等離子體電解池中，將電解液加入到所述電解池中，在電流密度為0. 9 1. ΙΑ/cm2、工作電壓為222 M8V和電解液工作溫度為22°C 43°C的條件下，處理時(shí)間為3. 2 4. 8min, 所述的電解液由甲酰胺、氯化鉀和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成或者由甲酰胺、 氯化鈉和水按質(zhì)量比為8. 5 0.5 1的比例配成；七、將經(jīng)步驟六處理后得到的復(fù)合材料用水清洗，自然干燥，切割成型，即制得一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極的制造方法，其特征在于步驟六中的電流密度為ΙΑ/cm2、工作電壓為230V和電解液工作溫度為25°C的條件下， 處理時(shí)間為細(xì)in。
全文摘要
一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極及制造方法，它涉及一種燃料電池復(fù)合材料陽極及制造方法，以解決微生物燃料電池產(chǎn)電能力低，以及對(duì)水體或沉積物中有機(jī)污染物去除率低的問題。所述的陽極是一種壓制件，該陽極包括第一金屬絲網(wǎng)層、第一非金屬板層、第二金屬絲網(wǎng)層、第二非金屬板層和第三金屬絲網(wǎng)層，第二非金屬板層位于第一金屬絲網(wǎng)層和第二金屬絲網(wǎng)層之間，第二非金屬板層設(shè)置在第二金屬絲網(wǎng)層和第三金屬絲網(wǎng)層之間，一種微生物燃料電池復(fù)合材料陽極的制造方法主要步驟是一、金屬絲網(wǎng)無規(guī)刻蝕，二、液相等離子體碳氮共滲，三、材料壓制，四、液相等離子體滲碳，五、復(fù)合材料后處理。本發(fā)明用于微生物燃料電池發(fā)電及水體沉積物中有機(jī)污染物的去除。
文檔編號(hào)H01M4/86GK102324526SQ20111024693
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者王英男, 韓忠健, 韓悟冥 申請(qǐng)人:哈爾濱佳泰達(dá)科技有限公司