一种超亲气电极提高微生物燃料电池产电量的工艺
阅读说明：本技术 一种超亲气电极提高微生物燃料电池产电量的工艺 (Process for improving electricity production of microbial fuel cell by using super-hydrophilic electrode ) 是由 喻长远 邱松 杨昭 国震宇 许立达 孙晓明 孙浩然 陈天童 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：一种超亲气电极提高微生物燃料电池产电量的工艺涉及利用电极提高微生物燃料电池(MFC)产电量的技术,特指一种利用“Co(OH)_2+N-CNTs+PTFE+碳布(CFC)”的修饰方法得到超亲气性质的CFC,并将CFC作为MFC的阴极,提高阴极气液固三相的反应速度,加快氧气的ORP反应,最终实现MFC产电量提高,该工艺对MFC电池的改动较小,且可以大幅提高MFC的产电量,为MFC的大规模应用提供一定的借鉴。(A process for improving the electricity generation of a microbial fuel cell by an ultra-hydrophilic electrode relates to a technology for improving the electricity generation of a Microbial Fuel Cell (MFC) by using an electrode, in particular to a process for improving the electricity generation of a microbial fuel cell by using' Co (OH) 2 The modification method of + N-CNTs + PTFE + carbon cloth (CFC) obtains CFC with super-hydrophilic property, and the CFC is used as the cathode of the MFC, so that the reaction speed of gas-liquid-solid three phases of the cathode is improved, the ORP reaction of oxygen is accelerated, and the improvement of the electricity generation quantity of the MFC is finally realized.)
技术领域
本发明涉及利用电极提高微生物燃料电池(MFC)产电量的技术领域。
背景技术
随着经济和社会生产力的不断发展，对能源的需求也愈加强烈，传统能源如煤、石油、天然气等占据了现代能源消耗的绝大部分，但是传统能源具有不可再生性，随着不断的开采，储量会不断降低且开采难度会越来越高。因此，新型可再生能源得到了社会各界的广泛关注，如太阳能、风能、地热能等。在新能源的探索过程中，MFC得到了科学家的广泛关注。
MFC是利用微生物进行发电的一种新型技术，通过人工控制的方式，利用质子膜把MFC分为阳极室和阴极室，把微生物的电子产生过程和电子传递还原过程分隔开，通过外部导线连接阴极和阳极，并在导线上增加一个负荷，从而获得微生物代谢过程中产生的电能。
虽然MFC得到科学家们的关注和研究，但其比较低的产电量限制了其进一步的应用，因此，如何提高MFC的产电量成为学界讨论的热点。MFC组装模式、阴极材料、阳极材料、微生物种类等都对MFC的产电效果有显著影响。
专利“一种基于碳纳米管聚多巴胺复合材料微生物燃料电池的方法”《CN110862538A》公开了一种基于碳纳米管聚多巴胺复合材料微生物燃料电池的方法，通过超声分散将羟基化多臂碳纳米管加入溶剂超声分散，并将超声后的CNTs-COOH和盐酸多巴胺混合物接入搭建好的MFC阳极室中，作为电池的阳极液，但该方法随着阳极液的更换，需不断进行混合溶液的搭建和分散，操作步骤较为繁琐。
专利“一种基于氮化钼阴极的高性能微生物燃料电池”《CN106159281B》公开了一种基于氮化钼阴极的高性能微生物燃料电池，所述阴极由氮化钼混合浓度为5wt％的Nafion溶液涂于碳纸上制备。该发明可提高微生物燃料电池的电化学性能，但需首先纸杯氮化钼颗粒，然后再配制氮化钼的Nafion溶液，最后再吸附到碳纸阴极上，操作步骤较长，且吸附的氮化钼颗粒在使用过程中存在脱落的风险。
专利“纤维素基单室微生物燃料电池空气阴极及其制备方法”《CN106898792B》公开了一种纤维素基单室微生物燃料电池空气阴极，该发明提出的新型纤维素基的单室微生物燃料电池的空气阴极扩散层，是以天然纤维素为原料，并在所述扩散层上复合Pt/C和nafion层从而制得空气阴极，具有制备方法简单，不需要高温烧结等优势，但所用材料中的Pt及nafion价格较贵，限制了其在实际中的进一步推广应用。
本发明以CFC作为研究对象，通过“Co(OH)2+N-CNTs+PTFE+碳布(CFC)”的改性过程，在CFC表面形成一层疏松多孔的蓬松结构，提高了CFC的表面亲气性，加速了CFC表面的OPR反应，从而提高了MFC的产电量，对MFC的实际推广应用具有一定的技术帮助。
发明内容
针对MFC产电效率低的情况，本发明的目的在于提供一种具有超亲气特征的CFC阴极材料，利用CFC的超亲气特征提高阴极的ORP反应，从而实现MFC产电量的提高。该技术具有改性技术简单，改造材料效率高、对MFC改造较小、易于实现工业化等特点。
为实现以上目标，本发明采取的技术方案是：
步骤1：CFC预处理，用氧等离子体清洗机对CFC进行表面活化预处理，处理时间为20-30min，射频频率40KHz，射频功率；
步骤2：生长Co(OH)2纳米涂层，预处理后的CFC加入反应釜中，加入量于去离子水溶液的质量体积比为0.0075g/mL，去离子水溶液具体为含有终浓度为5mM的Co(NO3)2·6H2O、10mM的CO(NO2)2和5-10mM的NH4F的去离子水溶液，充分反应；反应温度为120℃，反应时间为12h；
步骤3：步骤2反应后的CFC从反应釜中取出后，清洗晾干，转移到聚合反应器中，加入三聚氰胺，加入量为每克CFC加入1-2g三聚氰胺，在氩气环境下加热完成N-CNTs生长；反应温度为600℃，反应时间为30min；
步骤4：PTFE修饰，生长N-CNTs的CFC浸泡在0.5-1.5wt％的PTFE水分散溶液中，取出后在氩气条件下加热完成改性；加热温度为350℃，加热时间为40min。
在上述技术方案的基础上，所有步骤中提到的CFC质量均为步骤1中称取的CFC质量；
在上述技术方案的基础上，步骤2中反应温度为120℃，反应时间为12h；
在上述技术方案的基础上，步骤3中反应温度为600℃，反应时间为30min；
在上述技术方案的基础上，步骤4中浸泡时间为5min加热温度为350℃，加热时间为40min。
经过本方法处理后的CFC具有良好的亲气性能，水接触角显著提高，应用到MFC中，MFC的产电量显著提高。
本工艺的创新点和实际意义在于：
1)通过对CFC阴极材料进行超亲气改造，在CFC表面构建一个多孔、粗糙的蓬松结构，有利于氧气的吸附和提高三相反应的反应速度；
2)改性后的CFC应用于MFC电池中，可以有效提高MFC的产电量，为MFC的进一步推广应用提供了技术支持。
附图说明
图1是CFC改性的示意图。
图2是MFC的结构示意图。
具体实施方式
本发明主要通过以下方法实现MFC产电量的提高：
步骤1：取改性后的CFC(3*3cm)，作为MFC的阴极材料；
步骤2：阳极室中注入阳极液150mL，加入0.15g乙酸钠作为碳源，加入0.3gE.coli-K12作为接种菌种；
步骤3：MFC的外接一个1000Ω电阻作为负荷，通过数据采集器采集电压数据并传送保存在电脑上；
步骤4：阴极室采用曝气头进行曝气，用来提供氧气。
在上述技术方案的基础上，阴极曝气头的曝气量为0.2L/min；
在上述技术方案的基础上，电压数据采集器的采集频率为1Hz。
经过本方法改性后的CFC亲气性显著提高，可以更好的吸附氧气气泡，有效加速位于CFC上的三相反应，提高MFC电池的产电效果。
本发明方法的优点在于通过CFC的改性在其表面构建一个多孔、粗糙的蓬松结构，显著提高其亲气性能，改造后的CFC应用于MFC具有MFC结构改动小，MFC产电效果提高明显等优点，为MFC的推广应用有一定的技术借鉴意义，具有一定的社会和经济效益。
实施例如下：
实施例1：
步骤1：CFC经氧等离子体清洗机预处理20min，射频频率为40KHz，射频功率为200W；
步骤2：预处理后的CFC裁成3*3cm的大小，取0.3g(即40mL的0.0075g/mL浓度所需量)加入反应釜中，釜内加入终浓度为Co(NO3)2·6H2O(5mM)、CO(NO2)2(10mM)和NH4F(5mM)的去离子水溶液40mL，120℃下充分反应12h；
步骤3：取出釜内CFC，清洗晾干，转移到聚合反应器中，加入三聚氰胺，加入量为每克CFC加入1g三聚氰胺，在氩气条件下，加热到600℃反应30min；
步骤4：取出CFC，冷却后浸泡在0.5wt％的PTFE水分散溶液中5min，取出置于氩气条件下，加热到350℃反应30min；
步骤5：改性后的CFC材料(3*3cm)，作为MFC的阴极；
步骤6：阳极室中注入阳极液150mL，并加入0.15g乙酸钠和0.3gE.coli-K12作为碳源和接种细菌；
步骤7：阴极室采用空气曝气，曝气量为0.2L/min；
步骤8：MFC外接一个1000Ω的电阻，采用数据采集器采集电阻的负荷信号，采集频率为1Hz。
经测定，改造后的CFC与水的接触角为148.5，MFC稳定后的电压为30mV，产生的能量强度为0.036mW·h。
实施例2：
步骤1：CFC经氧等离子体清洗机预处理30min，射频频率为40KHz，射频功率为200W；
步骤2：预处理后的CFC裁成3*3cm的大小，取0.3g(即40mL去离子水溶液对应的0.0075g/mL浓度所需量)加入反应釜中，釜内加入Co(NO3)2·6H2O(8mM)、CO(NO2)2(15mM)和NH4F(10mM)的去离子水溶液40mL，120℃下充分反应12h；
步骤3：取出釜内CFC，清洗晾干，转移到聚合反应器中，加入三聚氰胺，加入量为每克CFC加入2g三聚氰胺，在氩气条件下，加热到600℃反应30min；
步骤4：取出CFC，冷却后浸泡在1.5wt％的PTFE水分散溶液中5min，取出置于氩气条件下，加热到350℃反应30min；
步骤5：改性后的CFC材料(3*3cm)，作为MFC的阴极；
步骤6：阳极室中注入阳极液150mL，并加入0.15g乙酸钠和0.3gE.coli-K12作为碳源和接种细菌；
步骤7：阴极室采用空气曝气，曝气量为0.2L/min；
步骤8：MFC外接一个1000Ω的电阻，采用数据采集器采集电阻的负荷信号，采集频率为1Hz。
经测定，改造后的CFC与水的接触角为161.5，MFC稳定后的电压为40mV，产生的能量强度为0.064mW·h。
实施例3：
步骤1：CFC经氧等离子体清洗机预处理25min，射频频率为40KHz，射频功率为200W；
步骤2：预处理后的CFC裁成3*3cm的大小，取0.3g(即40mL去离子水溶液对应的0.0075g/mL浓度所需量)加入反应釜中，釜内加入终浓度为Co(NO3)2·6H2O(7mM)、CO(NO2)2(12mM)和NH4F(8mM)的去离子水溶液40mL，120℃下充分反应12h；
步骤3：取出釜内CFC，清洗晾干，转移到聚合反应器中，加入三聚氰胺，加入量为每克CFC加入1.8g三聚氰胺，在氩气条件下，加热到600℃反应30min；
步骤4：取出CFC，冷却后浸泡在1.2wt％的PTFE水分散溶液中5min，取出置于氩气条件下，加热到350℃反应30min；
步骤5：改性后的CFC材料(3*3cm)，作为MFC的阴极；
步骤6：阳极室中注入阳极液150mL，并加入0.15g乙酸钠和0.3gE.coli-K12作为碳源和接种细菌；
步骤7：阴极室采用空气曝气，曝气量为0.2L/min；
步骤8：MFC外接一个1000Ω的电阻，采用数据采集器采集电阻的负荷信号，采集频率为1Hz。
经测定，改造后的CFC与水的接触角为154.5，MFC稳定后的电压为36mV，产生的能量强度为0.052mW·h。
实施例4：
步骤1：CFC经氧等离子体清洗机预处理20min，射频频率为40KHz，射频功率为200W；
步骤2：预处理后的CFC裁成3*3cm的大小，取0.3g(即40mL的0.0075g/mL浓度所需量)加入反应釜中，釜内加入Co(NO3)2·6H2O(6mM)、CO(NO2)2(14mM)和NH4F(6mM)的去离子水溶液40mL，120℃下充分反应12h；
步骤3：取出釜内CFC，清洗晾干，转移到聚合反应器中，加入三聚氰胺，加入量为每克CFC加入1.3g三聚氰胺，在氩气条件下，加热到600℃反应30min；
步骤4：取出CFC，冷却后浸泡在0.8wt％的PTFE水分散溶液中5min，取出置于氩气条件下，加热到350℃反应30min；
步骤5：改性后的CFC材料(3*3cm)，作为MFC的阴极；
步骤6：阳极室中注入阳极液150mL，并加入0.15g乙酸钠和0.3gE.coli-K12作为碳源和接种细菌；
步骤7：阴极室采用空气曝气，曝气量为0.2L/min；
步骤8：MFC外接一个1000Ω的电阻，采用数据采集器采集电阻的负荷信号，采集频率为1Hz。
经测定，改造后的CFC与水的接触角为151.5，MFC稳定后的电压为33mV，产生的能量强度为0.044mW·h。
对比例如下：
对比例：
步骤1：未改性的CFC裁成3*3cm的尺寸，作为MFC的阴极；
步骤2：阳极室中注入阳极液150mL，并加入0.15g乙酸钠和0.3gE.coli-K12作为碳源和接种细菌；
步骤3：阴极室采用空气曝气，曝气量为0.2L/min；
步骤4：MFC外接一个1000Ω的电阻，采用数据采集器采集电阻的负荷信号，采集频率为1Hz。
经测定，未改性的CFC与水的接触角为136.9，MFC稳定后的电压为21mV，产生的能量强度为0.018mW·h。
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