阅读说明：本技术 一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极 (High specific surface area graphene seabed sedimentary layer microbial fuel cell electrode ) 是由 王冠程 陈同来 付玉彬 郭洪云 于明仕 赵荣荣 于 2018-08-28 设计创作，主要内容包括：一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极,电极为负载石墨烯材料的导电纤维,纤维经金属丝铰接形成圆柱状电极,金属丝之间经导电刚性框架固定,以防海流作用造成移动,使用时置于海底沉积层中,或置于海底沉积层/海水界面上方。本发明因电极中引入石墨烯材料而具有极大的比表面积,显著提高了实海环境中电池的综合性能。(A high specific surface area graphene seabed sedimentary layer microbial fuel cell electrode is a conductive fiber loaded with graphene materials, the fiber is hinged through metal wires to form a cylindrical electrode, the metal wires are fixed through a conductive rigid frame to prevent movement caused by ocean current, and the electrode is placed in a seabed sedimentary layer or above a seabed sedimentary layer/seawater interface when in use. The graphene material is introduced into the electrode, so that the graphene composite material has a large specific surface area, and the comprehensive performance of the battery in the real sea environment is remarkably improved.)

一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极

技术领域

本发明属于海洋能源发电技术领域，是一种微生物电池的电极，用于海底沉积层。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一种利用微生物将有机或无机物中的化学能转换成电能的装置。微生物在厌氧环境中即海底沉积层（阳极）将无机或有机物分解释放出电子，电子经电子传输介质流经阴极形成电流。

海底沉积层微生物燃料电池电极(Benthic microbial fuel cell electrode,BMFCE),亦称海泥/海水微生物燃料电池电极。此特殊微生物燃料电池电极，工作于实海环境中，可放置于海底沉积层中，利用其高比表面积收集更多沉积层微生物分解无机或有机物释放出的电子，抑或是放置于海底沉积层/海水界面上方，利用其优异的导电性能，提高电池的综合性能。

目前BMFCE的比表面积为0.1524m²/g左右，比表面积偏低成为了限制BMFCE收集电子能力的主要因素，通过石墨烯包覆电极纤维材料的方式，大大提高电极比表面积，从而优化电池性能。

随着海洋强国建设的加快，推进海洋生态文明建设，保护海洋生态环境的力度也越来越大，对海洋的检测也越来越重视。现阶段海底探测装置所使用高能铅酸蓄电池等所放置的电极大多会对海洋环境造成影响。在海底强大的压强下有可能产生电池破裂、电极裸漏以及电解液泄露等状况，导致海洋环境的污染。因此，开发一种环保且长寿命的电池电极就显得尤为重要，BMFCE的出现为电池提供了一个良好的选择，让人们在海底探测的同时对海洋生态环境造成零影响。

目前碳毡、碳纸、碳纤维等均作为海底沉积层微生物燃料电池电极材料，这些碳材料都能广泛应用于BMFCE中，考虑到高导电性、可操作性、柔软度以及比表面积等因素，碳纤维成了海底沉积层微生物燃料电池电极的主要选择。

为电池能在实际环境中正常工作，我们设计发明了一种负载石墨烯材料的BMFCE，以应对复杂的海洋环境。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种负载石墨烯材料的BMFCE，其结构稳定，便于操作，纤维数量可控，石墨烯包覆的黏性高分子聚合物微球数量可控，可抵抗海水冲刷。

本发明的技术方案是：

一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极，其特征包括：此高比表面积海底沉积层微生物燃料电池电极采用表面负载石墨烯材料的导电碳纤维经金属丝铰接组成，此纤维由于表面负载的石墨烯使得比表面积显著增大，有利于收集海底沉积层微生物催化氧化有机或无机物而产生的电子，并且因石墨烯具有优异的导电性能，从而在整体上提升了电池的性能。此外，金属铰接纤维有利于在电池有限的空间内容纳更多的纤维。石墨烯与导电碳纤维之间有黏性高分子聚合物微球，有助于石墨烯的黏附与固定，保证足够的强度抵抗海水的冲刷，提高了电池寿命，降低电池维修及更换成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明为海底沉积层生物燃料电池电极，现有纤维的比表面积为0.1524m²/g，本发明电极纤维比表面积为15.2440 m²/g，将电极比表面积扩大了100倍以上，使得收集海底沉积层电子的能力显著增强。

纤维表面经表面改性后通过黏性高分子聚合物粘接石墨烯材料，有效提高了抵挡海水冲刷的能力，提高了电池的稳定性。

金属丝之间经导电刚性框架固定，提高了电池结构的整体稳定性。

碳纤维表面均匀负载石墨烯材料，有效提高了电极的导电性，优化了电池性能。

现有极少量纤维的CV图包被的面积为S₁=1.157*10^-3V·A·m^-2，极少量本发明的CV图包被的面积为S₂=1.265*10^-3V·A·m^-2，现有极少量纤维的电容性能C₁=3.61*10^-1F/m²，极少量本发明的电容性能C₂=3.95*10^-1F/m²，同比增长8.3%。

附图说明

图1为本发明的一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极的构架示意图。

(1) 导电刚性框架 (2)海底沉积层生物燃料电池电极

图2为本发明的海底沉积层微生物燃料电池电极微观示意图。

(1) 金属丝 (2)导电纤维 (3)石墨烯包覆的黏性高分子聚合物微球

具体实施方式

由于海流、潮汐、微生物腐蚀及海洋生物的附着等，为海底沉积层生物燃料电池的电极寿命提出了更大的挑战，如海流作用牵引电极来回摆动、海洋生物对电极的晃动造成电极脱落等。下面结合附图和实施案例，对本发明的具体实施方式做出进一步解释。以下实施案例仅用于更加详细地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施案例：

例1、如图1所示，本发明所述的一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极构架示意图，图2为海底沉积层微生物燃料电池电极微观示意图。可置于海底沉积层作为电池阳极，亦可置于海底沉积层/海水界面上方作为电池阴极。材料选用直径为Φ6μm，长度为60mm的导电碳纤维，金属丝选用直径为Φ1mm的钛丝，导电刚性框架采用直径为Φ50mm的导电刚性纤维。电极与电极之间经导电刚性框架固定成圆柱状，增大电极可利用面积，以提高电池性能。

例2、如图1所示，本发明所述的一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极构架示意图，图2为海底沉积层微生物燃料电池电极微观示意图。可置于海底沉积层作为电池阳极，亦可置于海底沉积层/海水界面上方作为电池阴极。电极纤维材料选用直径为Φ4μm，长度为60mm的金属系纤维，可提高导电性，且能避免因海流作用相互缠绕。

例2、如图1所示，本发明所述的一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极构架示意图，图2为海底沉积层微生物燃料电池电极微观示意图。可置于海底沉积层作为电池阳极，亦可置于海底沉积层/海水界面上方作为电池阴极。材料选用直径为Φ13.5μm，长度为60mm的金属镀层纤维，可降低比电阻，提高电池性能。

例3、如图2所示，本发明所述的一种高比表面积石墨烯海底沉积层微生物燃料电池电极微观示意图。石墨烯包覆的黏性高分子聚合物微球直径为Φ1mm左右，极大的扩展了石墨烯附着的数量，增加比表面积，提高电池性能。