一種改性柚子皮泡沫碳微生物燃料電池陽極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種改性柚子皮泡沫碳微生物燃料電池陽極材料的制備方法，屬于生物電池制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在近幾十年中，從我們的地球上大量廢物中回收能源是一項我們一直重視的研究，其研究可能同時解決能源問題和環(huán)境問題。其中微生物燃料電池作為一種新型的污水處理技術(shù)，在去除有機(jī)物的同時可以產(chǎn)生電能，為解決環(huán)境問題和能源問題提供了一條新途徑。微生物燃料電池是近些年發(fā)展起來的具有去污和產(chǎn)能雙重功能的生物電化學(xué)系統(tǒng)。作為一種新型能源，該技術(shù)在廢水處理方面具有極大的應(yīng)用潛能。但是，目前較低的輸出功率，以及較高的原料成本等問題，限制了其廣泛的應(yīng)用。作為電活性微生物生長和電子轉(zhuǎn)移場所，陽極材料對性能具有非常重要的影響。雖然現(xiàn)有的可作為的陽極材料很多，但它們普遍存在性能相對較差、制備方法復(fù)雜、成本高等問題。因此，它們的規(guī)模化應(yīng)用受到一定的限制?；谔烊恢参镏苽涠嗫滋疾牧系姆椒ǎ哂胁僮骱唵魏统杀镜偷葍?yōu)點，且具有可持續(xù)性和環(huán)境友好等特點。因此，以天然植物為原料制備的三維多孔碳陽極，可以提高的陽極材料性能、降低成本。
[0003]傳統(tǒng)的碳材料被廣泛的應(yīng)用于微生物燃料電池中作陽極，像石墨棒、碳租、碳紙、石墨氈、石墨刷和網(wǎng)狀玻璃碳等。然而，由于傳統(tǒng)碳材料的表面相對光滑不利于產(chǎn)電微生物的附著，從而限制了陽極材料的性能。隨后，有些復(fù)合材料被研究者作為微生物燃料電池陽極，并取得了很好的效果。其主要原因是這些復(fù)合材料的大孔結(jié)構(gòu)為產(chǎn)電微生物的生長提供了足夠的空間；另外，復(fù)合材料表面的一些納米結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)電微生物的附著和電子的傳遞。
[0004]柚子是蕓香科植物柚的成熟果實，產(chǎn)于我國江西、福建、廣東、廣西等南方地區(qū)。柚子清香、酸甜、涼潤，營養(yǎng)豐富，藥用價值很高，是人們喜食的水果之一，也是醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的最具食療效益的水果。人們關(guān)注更多的是柚子的果肉，而忽略了柚子的表皮。當(dāng)我們剝開柚子時，可以很明顯的感覺到柚子皮是松軟的，它是一種具有海綿狀結(jié)構(gòu)的天然材料。
[0005]電氣石是一種以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鈣、鎂的環(huán)狀硅酸鹽晶體礦物。具有顯著的熱電性、壓電性和自發(fā)電極性。研究認(rèn)為電氣石具有自發(fā)調(diào)節(jié)水體的氧化還原電位和PH值;降低水分子締合度;增加水的生物膜透過率;促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝等功能。而且電氣石具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，可重復(fù)利用，不產(chǎn)生二次污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題:針對目前微生物燃料電池所用陽極材料多為碳基電極，像石墨棒、碳?xì)?、碳紙、石墨氈、石墨刷和網(wǎng)狀玻璃碳等。然而，由于傳統(tǒng)碳材料的表面相對光滑不利于產(chǎn)電微生物的附著，從而限制了陽極材料性能的缺陷，提供了一種改性柚子皮泡沫碳微生物燃料電池陽極材料的制備方法，該方法以柚子皮瓤為原料炭化，并用電泳沉積法將電氣石沉積在泡沫碳表面，最終燒結(jié)后即得改性柚子皮泡沫碳微生物燃料電池陽極材料。本發(fā)明以具有海綿狀結(jié)構(gòu)的柚子皮瓤為原料直接炭化成網(wǎng)狀泡沫碳，其巨大的孔隙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和褶皺表面可以提供給微生物更大的附著位置，同時具有良好的親水性，其中沉積在泡沫碳表面的電氣石具有永久帶電和永久保持正負(fù)極的特性，這些特性使得電氣石能夠調(diào)節(jié)水溶液的PH值、氧化還原電位等，進(jìn)而提高微生物的活性，促進(jìn)微生物的生長，解決了傳統(tǒng)碳基陽極電極材料不利于產(chǎn)電微生物附著從而影響其性能的缺陷，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0007 ]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
(1)取2?3個柚子剝皮，用刀削去柚子皮表面黃色蠟質(zhì)層，得到白色海綿狀結(jié)構(gòu)的皮瓤，用去離子水浸泡3?5h后裝入紗布袋，懸空掛住紗布袋使皮瓤中的水分自然滴落，當(dāng)紗布袋中再無水滴滴落時取出柚子皮瓤，放入烘箱在105?110 °C下干燥2?3h;
(2)將上述干燥后的柚子皮放入高溫炭化爐中，向爐中通入氮氣置換出其中所有空氣，并在氮氣保護(hù)下先以8°C/min速率程序升溫至100°C預(yù)炭化30?40min，再以5°C/min速率升溫至800?90(TC，保溫炭化I?2h后待其自然冷卻至室溫，得到柚皮泡沫碳；
(3)將上述制得的柚皮泡沫碳放入氣流粉碎機(jī)中粉碎后過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，再將過篩后的泡沫碳粉末注入直徑為I?2cm，高為5?6cm的圓柱形模具中，移入高溫?zé)Y(jié)爐于500?600°C下燒結(jié)2?3h后拆模，得到圓柱狀泡沫碳電極，備用；
(4)稱取400?500g電氣石，用超細(xì)粉磨機(jī)進(jìn)行研磨并過900?1000目標(biāo)準(zhǔn)篩，將得到的電氣石粉末按固液比為1:50倒入濃度為0.5mol/L鹽酸溶液中，攪拌浸泡20?30min后，用去離子水抽濾洗滌3?5遍；
(5)將100?120g洗滌后的超細(xì)電氣石粉末和5?Sg聚乙烯醇縮丁醛倒入2?3L丙酮中，放入超聲分散機(jī)中以200?300W功率超聲分散處理10?20min，再放置在磁力攪拌機(jī)上，繼續(xù)攪拌20?24h，得到混合電氣石粉末懸浮液；
(6)將上述得到的電氣石粉末懸浮液倒入5L燒杯中作為電解液，以鉑片為正極，備用的圓柱狀泡沫碳電極為負(fù)極，采用電泳沉積法在正負(fù)極間施加5 O?7 O V / c m的電場，電泳沉積I?2h;
(7)沉積結(jié)束后，取出沉積電氣石后的泡沫碳電極，放入真空干燥器干燥8?1h后，移入管式電阻爐，在氬氣氛圍下以1000?1200 0C的高溫?zé)Y(jié)I?2h后出爐，自然冷卻至室溫后即得改性柚子皮泡沫碳微生物燃料電池陽極材料。
[0008]本發(fā)明的物理性質(zhì):本發(fā)明制得的改性柚子皮泡沫碳微生物燃料電池陽極材料電導(dǎo)率高達(dá)35.70?35.71.cm—1，電阻率為0.027?0.029 Ω.cm，電流密度為7.27?7.29mA.cm—2，最大功率密度可達(dá)1.20?1.22mff.cm—2，運(yùn)行700?800h后陽極上生物量依然可達(dá)6.1X 10—3?6.3 X 10—3g/cm2，具有極佳的生物負(fù)載能力。
[0009]本發(fā)明的有益效果:
(1)本發(fā)明制得的陽極材料可給微生物生長提供足夠的空間，同時有利于底物在陽極上進(jìn)行有效傳遞；
(2)本發(fā)明制得的陽極材料具有良好的生物相容性，耐腐蝕性強(qiáng)，有利于電池的長期運(yùn)行。
【具體實施方式】
[0010]取2?3個柚子剝皮，用刀削去柚子皮表面黃色蠟質(zhì)層，得到白色海綿狀結(jié)構(gòu)的皮瓤，用去離子水浸泡3?5h后裝入紗布袋，懸空掛住紗布袋使皮瓤中的水分自然滴落，當(dāng)紗布袋中再無水滴滴落時取出柚子皮瓤，放入烘箱在105?110 °C下干燥2?3h;將上述干燥后的柚子皮放入高溫炭化爐中，向爐中通入氮氣置換出其中所有空氣，并在氮氣保護(hù)下先以8°C/min速率程序升溫至100°C預(yù)炭化30?40min，再以5°C/min速率升溫至800?900°C，保溫炭化I?2h后待其自然冷卻至室溫，得到柚皮泡沫碳;將上述制得的柚皮泡沫碳放入氣流粉碎機(jī)中粉碎后過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，再將過篩后的泡沫碳粉末注入直徑為I?2cm，高為5?6cm的圓柱形模具中，移入高溫?zé)Y(jié)爐于500?600°C下燒結(jié)2?3h后拆模，得到圓柱狀泡沫碳電極，備用；稱取400?500g電氣石，用超細(xì)粉磨機(jī)進(jìn)行研磨并過900?1000目標(biāo)準(zhǔn)篩，將得到的電氣石粉末按固液比為1:50倒入濃度為0.5mol/L鹽酸溶液中，攪拌浸泡20?30min后，用去離子水抽濾洗滌3?5遍;將100?120g洗滌后的超細(xì)電氣石粉末和5?Sg聚乙烯醇縮丁醛倒入2?3L丙酮中，放入超聲分散機(jī)中以200?300W功率超聲分散處理10?20min，再放置在磁力攪拌機(jī)上，繼續(xù)攪拌20?24h，得到混合電氣石粉末懸浮液;將上述得到的電氣石粉末懸浮液倒入5L燒杯中作為電解液，以鉑片為正極，備用的圓柱狀泡沫碳電極為負(fù)極，采用電泳沉積法在正負(fù)極間施加50?70V/cm的電場，電泳沉積I?2h;沉積結(jié)束后，取出沉積電氣石后的泡沫碳電極，放入真空干燥器干燥8?1h后，移入管式電阻爐，在氬氣氛圍下以1000?1200°C的高溫?zé)Y(jié)I?2h后出爐，自然冷卻至室溫后即得改性柚子皮泡沫碳微生物燃料電池陽極材料。
[0011]實例I
取2個柚子剝皮，用刀削去柚子皮表面黃色蠟質(zhì)層，得到白色海綿狀結(jié)構(gòu)的皮瓤，用去離子水浸泡3h后裝入紗布袋，懸空掛住紗布袋使皮瓤中的水分自然滴落，當(dāng)紗布袋中再無水滴滴落時取出柚子皮瓤，放入烘箱在105°C下干燥2h;將上述干燥后的柚子皮放入高溫炭化爐中，向爐中通入氮氣置換出其中所有空氣，并在氮氣保護(hù)下先以8°C/min速率程序升溫至100°C預(yù)炭化30min，再以5°C/min速率升溫至800°C，保溫炭化Ih后待其自然冷卻至室溫，