一種二氧化錳生物電池制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種二氧化錳生物電池制備方法，屬于微生物燃料電池領(lǐng)域，通過制備二氧化錳陰極，控制二氧化錳與炭黑的比例以及二氧化錳與60％聚四氟乙烯的比例提供一種二氧化錳生物電池的制備方法。在pH＝10.5時(shí)二氧化錳生物電池最大輸出電壓達(dá)到最大值0.6V，功率密度達(dá)到最大值2W/m2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，二氧化錳泡沫鎳陰極能提高微生物燃料電池的性能，是適合微生物燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行的陰極材料。
【專利說明】
一種二氧化錳生物電池制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)電池領(lǐng)域，確定一種由二氧化錳陰極及生物陽極組成的的二氧化錳生物電池的制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]化學(xué)電池，是指通過電化學(xué)反應(yīng)正極、負(fù)極活性物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一類裝置?；瘜W(xué)電池的種類很多，常用的主要是干電池、蓄電池，以及體積小的微型電池。此外， 還有金屬一一空氣電池、燃料電池以及其他能量轉(zhuǎn)換電池，如太陽電池、溫差電池、核電池等。
[0003]鋅錳干電池以鋅皮制成的鋅筒為外殼，既是負(fù)極又是保護(hù)殼，中央插一根碳棒做正極，碳棒頂端加一銅帽，在石墨碳棒周圍填滿二氧化錳和炭黑的混合物，并用離子可以通過的長(zhǎng)纖維紙包裹作隔膜，隔膜外用氯化鋅、氯化銨和淀粉調(diào)成糊狀做電解質(zhì)溶液，還填有二氧化錳，作去極化劑，(吸收正極放出的氫氣，防止產(chǎn)生極化現(xiàn)象)，電池頂端用蠟和火漆封口。干電池的電壓一般為1.5V?1.6V。這種電池在使用中鋅皮不斷腐蝕，電壓逐漸下降， 不能重新充電復(fù)原，因此不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。這種電池電量小，在放電過程中容易產(chǎn)生氣漲或漏液。
[0004]鎳鎘蓄電池正極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是增強(qiáng)導(dǎo)電性。負(fù)極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴(kuò)散性，防止結(jié)塊，并增加極板的容量。活性物質(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負(fù)極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。鎳鎘電池可反復(fù)充電或放電，操作簡(jiǎn)單方便;但是記憶效應(yīng)嚴(yán)重，所以必須在完全沒電時(shí)才可進(jìn)行充電，以確保使用壽命。
[0005]鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。鎳氫電池充電時(shí)，正極上的氫氧化鎳(Ni(0H)2)轉(zhuǎn)化為氧化氫氧化鎳(N1(OH))，電極表面的水分子會(huì)在負(fù)極上還原成氫原子，氫原子吸附在電極表面上形成吸附態(tài)的儲(chǔ)氫合金(MH)，再擴(kuò)散到負(fù)極貯氫合金內(nèi)部而被吸收形成固體MH中的氫原子越來越多，氫原子將于合金反應(yīng)，形成的I3-MH在合金中擴(kuò)散慢，擴(kuò)散成為充電過程的控制步驟。放電時(shí)，Ni 0 (0H)得到電子轉(zhuǎn)變?yōu)镹i (OH) 2，MH內(nèi)部氫原子擴(kuò)散到表面形成吸附態(tài)的氫原子，再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成貯氫合金和水分子。氫原子的擴(kuò)散步驟仍然是負(fù)極放電過程的控制步驟。
[0007]生物燃料電池是燃料電池中特殊的一類。它利用生物催化劑將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，所以除了在理論上具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率之外，還有其它燃料電池不具備的若干特點(diǎn):①原料廣泛?？梢岳靡话闳剂想姵厮荒芾玫亩喾N有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)作為燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等;②操作條件溫和。一般是在常溫、常壓、接近中性的環(huán)境中工作的。這使得電池維護(hù)成本低、安全性強(qiáng);③生物相容性。利用人體內(nèi)的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體，作為心臟起搏器等人造器官的電源。
[0008]按照使用催化劑形式的不同，生物燃料電池可以分為酶燃料電池和微生物燃料電池。酶燃料電池原料來源廣泛、生物相容性好、在常溫常壓和中性溶液環(huán)境中工作、可以用多種天然有機(jī)物作為燃料，是一種可再生的綠色能源，可為微型電子裝置提供電能。在疾病的診斷和治療、環(huán)境保護(hù)以及航空航天等領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。微生物燃料電池能夠利用廢水及廢棄物等生物質(zhì)資源作為能源，降解污染物的同時(shí)產(chǎn)生電能，在環(huán)境保護(hù)和新能源開發(fā)的大力推動(dòng)下，微生物燃料電池具有巨大的產(chǎn)業(yè)化前景。
[0009]本發(fā)明是以微生物燃料電池陰極材料為研究對(duì)象，在現(xiàn)有的微生物燃料電池的研究基礎(chǔ)上，提出一種二氧化錳生物電池的制備方法。通過測(cè)試生物電池的產(chǎn)電性能，確定一種制作簡(jiǎn)單、無害、穩(wěn)定且廉價(jià)的生物電池制備方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是通過制備二氧化錳陰極，提供一種二氧化錳生物電池的制備方法。
[0011]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是如何制備二氧化錳陰極，確定二氧化錳、炭黑及聚四氟乙烯溶液之間的最佳配比，實(shí)現(xiàn)生物電池輸出電壓在0.6V，最大功率密度達(dá)到2W/m2。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種二氧化錳生物電池制備方法，包括以下步驟:(1)陰極基體材料選用泡沫鎳，按二氧化錳與炭黑的一定質(zhì)量比稱取，加入無水乙醇混合攪拌10-30min;在攪拌情況下，逐滴加入一定質(zhì)量的60%聚四氟乙烯溶液(二氧化錳: 60%聚四氟乙烯的質(zhì)量比為10-35:1)，繼續(xù)攪拌10-30min;(2)將泡沫鎳浸泡于上述混合物中，時(shí)間為5-10min，反復(fù)浸泡3-5次后，取出晾干制備而成二氧化錳陰極；(3)以不銹鋼為電池的陽極，接種城市污水和lg/L的乙酸，按照微生物燃料電池的運(yùn)行方式富集產(chǎn)電微生物。(4)富集好產(chǎn)電微生物的不銹鋼陽極和二氧化錳陰極共同組成二氧化錳生物電池。
[0013]本發(fā)明所提供的一種二氧化錳生物電池制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于:實(shí)現(xiàn)輸出電壓在 0.6V，最大功率密度達(dá)到2W/m2,在相同條件下生物電池的功率密度遠(yuǎn)大于微生物燃料電池的功率密度。【附圖說明】
[0014]附圖1是二氧化錳生物電池產(chǎn)電曲線示意圖。
[0015]附圖2是不同pH條件下微生物燃料電池的功率密度曲線?！揪唧w實(shí)施方式】
[0016]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地說明。
[0017] —種二氧化錳生物電池制備方法，包括以下步驟:(1)陰極基體材料選用泡沫鎳，將泡沫鎳剪成直徑3.0cm的圓形；(2)按二氧化錳/炭黑一定質(zhì)量比稱取藥品置于潔凈燒杯中，加入無水乙醇至剛好浸沒藥品，磁力攪拌10-30min;(3)按Mn02/60%聚四氟乙烯質(zhì)量比為10-35:1，稱取聚四氟乙烯置于10ml離心管中。在攪拌情況下，逐滴滴加稱取好的聚四氟乙烯溶液，并用無水乙醇清洗離心管將剩余聚四氟乙稀溶液加入燒杯中，繼續(xù)攪拌l〇-30min;(4)將剪好的泡沫鎳用鑷子逐片浸泡于燒杯中，時(shí)間為5-10min，反復(fù)浸泡3-5次后，取出晾干制備而成二氧化錳陰極；；(5)以不銹鋼為電池的陽極，接種城市污水和lg/L的乙酸，按照微生物燃料電池的運(yùn)行方式富集產(chǎn)電微生物。(6)富集好產(chǎn)電微生物的不銹鋼陽極和二氧化錳陰極共同組成二氧化錳生物電池。 [〇〇18]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，二氧化錳泡沫鎳陰極，在以乙酸鈉基質(zhì)為底物的微生物燃料電池中可保持性能穩(wěn)定，隨著pH值的增加，微生物燃料電池在pH=10.5時(shí)最大輸出電壓達(dá)到最大值0.6V，功率密度達(dá)到最大值2W/m2。
[0019]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，二氧化錳泡沫鎳陰極能提高微生物燃料電池的性能，是適合微生物燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行的陰極材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二氧化錳生物電池制備方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)陰極基體材料選用泡沫鎳，按二氧化錳與炭黑的一定質(zhì)量比稱取，加入無水乙醇混 合攪拌10-30min;在攪拌情況下，逐滴加入一定質(zhì)量的60%聚四氟乙烯溶液(二氧化錳: 60%聚四氟乙烯的質(zhì)量比為10-35:1)，繼續(xù)攪拌10-30min;(2)將泡沫鎳浸泡于上述混合物中，時(shí)間為5-10min，反復(fù)浸泡3-5次后，取出晾干制備 而成二氧化錳陰極；(3)以不銹鋼為電池的陽極，接種城市污水和lg/L的乙酸，按照微生物燃料電池的運(yùn)行 方式富集產(chǎn)電微生物。(4)富集好產(chǎn)電微生物的不銹鋼陽極和二氧化錳陰極共同組成二氧化錳生物電池。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二氧化錳生物電池制備方法，其特征是:以二氧化錳作為 陰極材料組成部分，在以乙酸為燃料的生物電池中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的對(duì)外電壓輸出，對(duì)外輸出電 壓最大為〇.6V，功率密度達(dá)到2W/m2。
【文檔編號(hào)】H01M8/16GK106099149SQ201610606509
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月20日 公開號(hào)201610606509.X, CN 106099149 A, CN 106099149A, CN 201610606509, CN-A-106099149, CN106099149 A, CN106099149A, CN201610606509, CN201610606509.X
【發(fā)明人】劉廣立, 崔婉俊, 吳偉, 駱海萍, 盧耀斌, 張仁鐸
【申請(qǐng)人】中山大學(xué)