一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池。自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池由多孔微生物陽極、水凝膠電解質(zhì)、空氣陰極和毛細(xì)管束組成；其中，多孔微生物陽極由水凝膠電解質(zhì)包裹，毛細(xì)管與水凝膠電解質(zhì)相連接；空氣陰極置于電池的一側(cè)，形成單空氣陰極水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池；或空氣陰極置于電池兩側(cè)形成雙空氣陰極水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池。自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池可在5～40℃的溫度范圍運(yùn)行，最大面積功率密度可達(dá)1850mWm

A self powered water gel electrolyte microbial fuel cell

The invention discloses a self powered water gel electrolyte microbial fuel cell. Self water gel electrolyte microbial fuel cell by porous microbial anode, electrolyte, air cathode and hydrogel capillary composition; the porous hydrogel electrolyte by microbial anode package, capillary and hydrogel electrolyte is connected; one side air cathode in the battery, to form a single hydrogel electrolyte air cathode microbial fuel cell; or air cathode in the battery formed on both sides double air cathode microbial fuel cell electrolyte hydrogel. Self water gel electrolyte microbial fuel cells in the temperature range of 5 ~ 40 DEG C, the maximum area of power density of up to 1850mWm

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池
本專利技術(shù)涉及微生物燃料電池，具體涉及一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池。
技術(shù)介紹
微生物燃料電池(microbialfuelcells，以下簡稱MFCs)是利用電活性微生物的新陳代謝氧化化學(xué)物質(zhì)并釋放電子，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)裝置。由于MFCs具有“去污”和”產(chǎn)電”雙重功能，因此近年來受到全球科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。MFCs及其相關(guān)的微生物電化學(xué)體系(bioelectrochemicalsystems,BES)，如電解池和脫鹽池等，在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，包括污水處理、產(chǎn)氫、遠(yuǎn)程電源，生物傳感器、海水淡化和生物修復(fù)等。然而，目前MFC不僅在污水處理應(yīng)用受到極大的限制，其在器件化應(yīng)用方面，如傳感和遠(yuǎn)程電源，同樣面臨巨大的挑戰(zhàn)。一方面，傳統(tǒng)的MFC主要以水溶液為電解質(zhì)，電活性微生物以微生物膜的形式在陽極生長，釋放電子和質(zhì)子；電子通過外電路傳遞到陰極，質(zhì)子通過溶液擴(kuò)散的方式(越過隔膜)傳遞到陰極；在陰極，氧氣結(jié)合電子和質(zhì)子被還原成水。然而，由于水溶液具有良好的流動性和離子遷移性能，在水溶液中的微生物膜容易受到pH值、底物濃度、水力擾動和外部振動等環(huán)境因素的影響，因此MFC難以維持穩(wěn)定的性能。另一方面，MFC需要施加能量向電活性微生物供給營養(yǎng)液。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池。自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池可以像植物葉片一樣通過蒸騰作用自動供給營養(yǎng)，而不需要借助施加能量；同時自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池可耐受外部振動等環(huán)境因素的影響，具有較好的穩(wěn)定性。本專利技術(shù)是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池(AF-HE-MFC)，其特征在于：主要由多孔微生物陽極、水凝膠電解質(zhì)、空氣陰極和毛細(xì)管束組成；其中，多孔微生物陽極被水凝膠電解質(zhì)包裹，毛細(xì)管束與水凝膠電解質(zhì)相連接；空氣陰極置于水凝膠電解質(zhì)的一側(cè)，形成單空氣陰極AF-HE-MFC；或空氣陰極置于水凝膠電解質(zhì)兩側(cè)形成雙空氣陰極AF-HE-MFC。所述的AF-HE-MFC可以自動吸入營養(yǎng)液實(shí)現(xiàn)自動供給；其自動供給的機(jī)理與植物葉片的蒸騰作用輸送水分相似，即水凝膠電解質(zhì)中儲存的水經(jīng)由空氣陰極蒸發(fā)，在水凝膠電解質(zhì)中形成負(fù)壓；在負(fù)壓的驅(qū)動下，含有微生物所需底物的水溶液(即營養(yǎng)液)經(jīng)由毛細(xì)管束被自動吸入，補(bǔ)充水凝膠電解質(zhì)中的水分損失，同時實(shí)現(xiàn)AF-HE-MFC中微生物的營養(yǎng)供給。所述的多孔微生物陽極是多孔或網(wǎng)狀的，允許溶液中的底物或離子自由通過；電活性微生物在多孔微生物陽極上生長并形成微生物膜；所述的多孔微生物陽極的形狀包括網(wǎng)、氈、紙、布等；所述的多孔微生物陽極的材料是碳、石墨、表面修飾的金屬等具有導(dǎo)電性和生物相容性的材料。所述的水凝膠電解質(zhì)是中性無機(jī)鹽水溶液溶脹的水凝膠。所述的水凝膠的材料是具有親水基團(tuán)、能大量吸收水分而溶脹又能保持住水分不外流的聚合物樹脂，包括丙烯酸鹽類、丙烯酰胺類、交聯(lián)羧甲基纖維素類等，可吸收相當(dāng)于自身體積100倍以上水分的聚合物樹脂；優(yōu)選可吸收相當(dāng)于自身體積500倍以上水分的聚合物樹脂。所述的中性無機(jī)鹽水溶液，包括磷酸鹽、碳酸鹽緩沖、等中性水溶液。所述的空氣陰極具有氧氣還原催化性能，同時允許氧氣擴(kuò)散和水分蒸發(fā)。其結(jié)構(gòu)包含氧氣還原催化層、集流體和擴(kuò)散層；或只包含催化層和集流體；或只包含擴(kuò)散層和同時具有集流體和氧氣還原催化功能的電極。所述的毛細(xì)管，具有自吸毛細(xì)現(xiàn)象；制備毛細(xì)管的材料具有親水性，包括玻璃、二氧化硅、金屬、聚合物等；毛細(xì)管的內(nèi)徑小于2mm，優(yōu)選小于1mm；毛細(xì)管中填充水凝膠電解質(zhì)。所述的含有微生物所需底物的水溶液中，底物為可以被電活性微生物直接降解和利用的有機(jī)小分子化合物或其混合物，如醋酸、醋酸鈉、葡萄糖、甲醇、乙醇、蔗糖等；所述的含有微生物所需底物的水溶液其濃度范圍為小于10g/L；優(yōu)選葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸等不含金屬陽離子的有機(jī)小分子化合物及其混合物，其濃度范圍為小于5g/L。不含金屬陽離子的有機(jī)化小分子及其混合物被微生物降解后，在AF-HE-MFC中不會產(chǎn)生離子累積，因此可以使AF-HE-MFC的離子濃度穩(wěn)定，從而保證AF-HE-MFC具有長期運(yùn)行穩(wěn)定性。所述的AF-HE-MFC運(yùn)行溫度范圍為0～40℃，AF-HE-MFC的最大面積功率密度可達(dá)1850mWm-2(相對陽極面積)，最大體積功率密度可達(dá)557Wm-3(相對于凝膠微生物燃料電池的體積)，并具有良好的穩(wěn)定性，可為小型電子器件的供電。本專利技術(shù)的有益效果：可實(shí)現(xiàn)自動供給營養(yǎng)，而不需要借助施加能量；可耐受外部振動等環(huán)境因素的影響，具有良好的穩(wěn)定性。附圖說明圖1是單空氣陰極自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，1-擴(kuò)散層；2-集流體；3-催化層；4-水凝膠電解質(zhì)；5-微生物陽極；6-毛細(xì)管束；7-底物水溶液。圖2是雙空氣陰極自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖2中，1-擴(kuò)散層；2-集流體；3-催化層；4-水凝膠電解質(zhì)；5-微生物陽極；6-毛細(xì)管束；7-底物水溶液。圖3是60mM醋酸鈉溶液供給的AF-HE-MFC的電壓-時間曲線圖。圖4是以80mM醋酸鈉供給的AF-HE-MFC的極化曲線和功率密度曲線圖。圖5是自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池及其串聯(lián)后為LED燈泡供電的照片。在圖5中，1-空氣陰極，2-生物陽極，3-毛細(xì)管，4-營養(yǎng)液，5-LED燈。具體實(shí)施方式微生物陽極的制備之一：按照文獻(xiàn)【Chenetal,EnergyEnviron.Sci.,2012,5,9769】中所述的配方配置人造污水，人造污水的底物為醋酸鈉，濃度為20mM，pH為7.0。按照文獻(xiàn)【Liuetal,Biosens.Bioelectron.2008,24,1006】所述的方法，以市政污水廠的活性污泥為接種體(南昌青山湖污水廠)，通過電化學(xué)馴化1星期，篩選出電活性微生物膜，并以之為接種體富集電活性微生物膜。采用電化學(xué)工作站(恒電位儀)控制的三電極電化學(xué)系統(tǒng)方法富集電活性微生物膜：以文獻(xiàn)【Pengetal,ElectrochimicaActa,2016,194,246-252.】中的炭黑修飾的不銹鋼網(wǎng)(CB/SSM)為工作電極，Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極，石墨板為對電極，以pH＝7.0，含濃度為20mM的醋酸鈉底物的人造污水為營養(yǎng)液(電解質(zhì))，馴化的電活性微生物膜為接種體；通過電化學(xué)工作站給工作電極施加+0.2V(相對于Ag/AgCl，飽和KCl)的電位，記錄電流-時間曲線。每48h更換一次營養(yǎng)液，直到電極獲得穩(wěn)定的電流即表示電活性微生物膜已形成。微生物陽極的制備之二：按照文獻(xiàn)【Chenetal,EnergyEnviron.Sci.,2012,5,9769】中所述的配方配置人造污水，人造污水的底物為醋酸鈉，濃度為20mM，pH為7.0。按照文獻(xiàn)【Liuetal,Biosens.Bioelectron.2008,24,1006】所述的方法，以市政污水廠的活性污泥為接種體(南昌青山湖污水廠)，通過電化學(xué)馴化1星期，篩選出電活性微生物膜，并以之為接種體富集電活性微生物膜。采用微生物燃料電池富集電活性微生物膜：以CB/SSM為陽極，氧氣還原空氣電極為陰極，陽極和陰極之間用隔本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池，其特征在于：主要由多孔微生物陽極、水凝膠電解質(zhì)、空氣陰極和毛細(xì)管束組成；其中，多孔微生物陽極被水凝膠電解質(zhì)包裹，毛細(xì)管束與水凝膠電解質(zhì)相連接；空氣陰極置于水凝膠電解質(zhì)的一側(cè)或兩側(cè)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池，其特征在于：主要由多孔微生物陽極、水凝膠電解質(zhì)、空氣陰極和毛細(xì)管束組成；其中，多孔微生物陽極被水凝膠電解質(zhì)包裹，毛細(xì)管束與水凝膠電解質(zhì)相連接；空氣陰極置于水凝膠電解質(zhì)的一側(cè)或兩側(cè)。2.如權(quán)利要求1所述的自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池，其特征在于：多孔微生物陽極是多孔或網(wǎng)狀的，包括網(wǎng)、氈、紙、布，允許溶液中的底物或離子自由通過；電活性微生物在多孔微生物陽極上生長并形成微生物膜；所述的多孔微生物陽極的材料是碳、石墨、表面修飾的金屬等具有導(dǎo)電性和生物相容性的材料。3.如權(quán)利要求1所述的自供給水凝膠電解質(zhì)微生物燃料電池，其特征在于：所述的水凝膠電解質(zhì)是中性無機(jī)鹽水溶液溶脹的水凝膠；所述的水凝膠的材料是具有親水基團(tuán)、能大量吸收水分而溶脹又能保持住水分不外流的聚合物樹脂，包括丙烯酸鹽類、丙烯酰胺類、交...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳水亮，吳世強(qiáng)，
申請(專利權(quán))人：江西師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江西,36