CN106025319B - 一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置及方法 - Google Patents

一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置及方法，该装置包括壳体，在壳体的壳腔的中部设有竖向间隔放置的扩散驱动隔膜和电池隔膜，扩散驱动隔膜和电池隔膜将壳腔分隔为扩散驱动水解室、阳极室和阴极室，在扩散驱动水解室内设有纤维素，在阳极室内设有阳极电极，在阳极室内填充有支持电解质，支持电解质与纤维素水解液混合在一起形成阳极液，在阴极室内设有空气阴极电极，在阴极室内填充有阴极液，阳极电极与空气阴极电极经导线分别与外负载的两端相连。本发明通过设计扩散控制隔膜将扩散驱动水解室与阳极室相连，纤维素酶水解液在扩散控制隔膜的作用下分离水解产物葡萄糖作为燃料，避免了繁杂的净化过程，实现了纤维素的直接产电。

Description

一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置及方法
技术领域
本发明涉及一种纤维素的处理方法，尤其是涉及一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置及方法。
背景技术
全世界范围内，人们已经达成共识：大力提高能源利用效率，发展高新技术开发可再生能源，逐步取代石油、煤、天然气等不可再生能源，是解决能源危机和环境问题的重要途径之一。生物，它来源广泛，具有可再生性，低污染，是化石燃料的理想替代品。纤维素，占植物体内碳含量的一半以上，已成为生物质燃料生产的一种主要原料。许多研究人员使用传统的技术如糖化、发酵和能量转换，将纤维素转化为生物燃料再进行利用，但技术问题仍是阻碍这些技术发展的重要因素。
专利CN101506332A公布了一种流化催化装置，它通过催化裂化处理生物质形成燃料电池用燃料、汽油、柴油机燃料、液化石油气和合成树脂，该装置需要在高温高压催化剂作用下实现，条件苛刻，未能实现直接利用生物质进行产电；
专利CN101545398A公布了一种生物质发电方法，它对生物质先进行预处理，在形成生物质燃气后供内燃机发电；专利CN104033269A公布了一种生物质燃烧发电装置，它通过生物质在燃烧机中燃烧产生电能可实现小范围供电；专利CN102434226A公布了一种生物质发电方法，它通过热解炭化、粉碎加工和喷入燃烧将制得的炭粉喷入蒸汽锅炉内燃烧，生产高压蒸汽，推动蒸汽轮机转动进行发电；专利CN104629850A公布了一种生物质发电装置及方法，它先对生物质进行预处理制成生物质颗粒，然后生物质颗粒进入燃烧设备燃烧并进入发电机发电。以上专利均是利用热机转换生物质化学能为电能的方法受卡诺循环限制，转化效率低。
专利CN102796656A公布了一种利用生物质发电的***，它先以生物制为原料、在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使有机物发酵生成沼气，再从沼气中取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇，再以生成的甲醇和水混合制得氢气或者直接通过生成的甲醇制得氢气，最后利用制得的氢气发电，虽然这些过程可实现生物制转化为电能，提高了能量转化效率，但从生物质到氢气的生成过程复杂，繁琐。
专利CN 101459254A公布了一种利用微生物降解秸秆纤维素产电的方法，将秸秆纤维素粉碎，与阳极产电菌群悬液和微生物营养物质均匀混合，通过阳极入料口进入阳极室，阴极室先加入工作液，阴极产气菌群的菌悬液通过阴极室的接种口进入阴极室，用导线连接阴阳电极和负载即可产电，这种纤维素产电方法所用的阳极菌群和阴极菌群需要先进行驯化，耗时长，过程复杂，产电效果欠佳。
专利CN 104126014A公布了一种加工生物质以用于燃料电池，它加工生物质以用于燃料电池，通过多种方法将纤维素处理后用于燃料电池，用于燃料电池前需要净化处理，而处理过程繁杂。
发明内容
本发明的第一个目的就是提供一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置，本发明通过设计扩散控制隔膜将扩散驱动水解室与阳极室相连，纤维素酶水解液在扩散控制隔膜的作用下分离水解产物葡萄糖作为燃料，避免了繁杂的净化过程，实现了纤维素的直接产电。
本发明的第二个目的就是提供一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置，包括完全封闭的壳体，特征是：在壳体的壳腔的中部设有竖向间隔放置的扩散驱动隔膜和电池隔膜，扩散驱动隔膜和电池隔膜将壳腔分隔为左边的扩散驱动水解室、中间的阳极室和右边的阴极室，在扩散驱动水解室内设有纤维素，扩散驱动水解室与阳极室通过扩散驱动隔膜相连，在阳极室内设有阳极电极，在阳极室内填充有支持电解质，支持电解质与从扩散驱动水解室内通过扩散驱动隔膜渗透过来的纤维素水解液混合在一起形成阳极液，在阴极室内设有空气阴极电极，在阴极室内填充有阴极液，在空气阴极电极的内部设有若干个自呼吸通道，阳极电极与空气阴极电极经导线分别与外负载的两端相连。
扩散驱动隔膜为反渗透膜；或，扩散驱动隔膜为反渗透膜和微滤膜、超滤膜、纳滤膜中的一种的组合膜；或，扩散驱动隔膜为反渗透膜和微滤膜、超滤膜、纳滤膜中的两种或三种的组合膜。
电池隔膜为阴离子交换膜、阳离子交换膜或nafion膜的一种。
阳极电极与空气阴极电极之间的氧化还原电势相差0.3～1.6V。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，特征是：具体步骤如下：
A、将纤维素、纤维素水解酶和pH 4-6的醋酸缓冲溶液的混合物或纤维素、纤维素水解酶、pH 4-6的磷酸缓冲溶液的混合物放入扩散驱动水解室内，该混合物在25-90℃下发酵2-24小时后得到纤维素水解液；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室内通过扩散驱动隔膜渗透作用进入阳极室，与阳极室内填充的支持电解质混合在一起形成阳极液，阳极室内设有阳极电极，阴极室内设有空气阴极电极，阳极电极与空气阴极电极经导线分别与外负载的两端相连，电能产生。
扩散驱动水解室内的纤维素为水溶性纯化纤维素化学品，例如：水溶性羟甲基纤维素；或固体纤维素，例如：秸秆、农业废弃物、林业废弃物、木材、棉花、大米、小麦、玉米、麦麸、粗加工的谷类、稻壳、甘蔗渣、木屑、草、大豆、赤豆、绿豆、蚕豆、青豆、红薯、山药、马铃薯、萝卜、西红柿、黄瓜、笋干、辣椒、蕨菜，或者这些物质的混合物。在扩散驱动水解室内的纤维素中添加有纤维素水解酶、pH 4-6的醋酸缓冲溶液的混合物或纤维素水解酶、pH 4-6的磷酸缓冲溶液的混合物，该混合物在25-90℃下发酵2-24小时。
阳极室内的支持电解质为氢氧化钠、氢氧化钾、醋酸钠中的一种或多种组合。
阳极电极的基体材料为碳布、碳毡、碳纸或碳刷中的一种，阳极催化剂由Pt、Pd、Au、Pd/Ni、Pd/Au中的一种或两种负载于载体上得到，载体为碳纳米管、碳纳米线或石墨烯中的一种，阳极催化剂涂敷在阳极电极的基体材料上得到阳极电极，阳极催化剂的涂敷量为0.002-8mg/cm2。
空气阴极电极的基体材料为泡沫镍、碳布、碳毡、碳纸或碳刷中的一种，阴极催化剂由Pt、Pd、Au、Pd/Au中的一种或两种负载于载体上得到，载体为碳纳米管、碳纳米线或石墨烯中的一种，阴极催化剂涂敷在空气阴极电极的基体材料上得到空气阴极电极，阴极催化剂的负载量0.02-4mg/cm2。
或，空气阴极电极由聚四氟乙烯悬浮液、异丙醇和碳材料混合制成。
碳材料为活性炭、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
工作原理：纤维素在扩散驱动水解室内经纤维素水解酶水解生成含有葡萄糖的纤维素水解液，纤维素水解液中的杂质被扩散驱动隔膜截留，纤维素水解液中的葡萄糖在扩散驱动隔膜的作用下扩散渗透进入含有支持电解质的阳极室，葡萄糖在涂敷有阳极催化剂的阳极电极上发生氧化反应，葡萄糖给出电子并生成二氧化碳和水，电子通过外负载到达空气阴极电极，被来自自呼吸通道中的氧气分子接收，发生电化学还原反应在阴极室内生成水，电池隔膜分割并连接阳极电极和空气阴极电极，用导线将阳极电极、空气阴极电极与外负载连接，电能产生。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、通过扩散驱动隔膜将扩散驱动水解室与阳极室相连，使得纤维素水解产物葡萄糖在扩散控制作用下进入阳极室成为燃料；
(2)、避免了传统繁杂的纤维素水解处理过程，实现了纤维素的直接产电；
(3)、以空气阴极为电极、以廉价空气为氧化剂；
(4)、操作简单、条件温和，绿色无污染。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1.扩散驱动水解室、2.扩散驱动隔膜、3.阳极室、4.阳极电极、5.电池隔膜、6.阴极室、7.空气阴极电极、8.自呼吸通道、9.外负载、10.壳体、11.壳腔；
图2为水溶性羟甲基纤维素产电结果的示意图；
图3为秸秆纤维素产电结果的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：水溶性羟甲基纤维素
如图1所示，一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置，包括完全封闭的壳体10，在壳体10的壳腔11的中部设有竖向间隔放置的扩散驱动隔膜2和电池隔膜5，扩散驱动隔膜2和电池隔膜5将壳腔11分隔为左边的扩散驱动水解室1、中间的阳极室3和右边的阴极室6，在扩散驱动水解室1内设有纤维素，扩散驱动水解室1与阳极室3通过扩散驱动隔膜2相连，在阳极室2内设有阳极电极4，在阳极室3内填充有支持电解质，支持电解质与从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透过来的纤维素水解液混合在一起形成阳极液，在阴极室6内设有空气阴极电极7，在阴极室6内填充有阴极液，在空气阴极电极7的内部设有若干个自呼吸通道8，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连。
扩散驱动隔膜2为微滤膜、超滤膜、纳滤膜与反渗透膜组成的膜组件；电池隔膜5为阴离子交换膜。
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.1M pH＝5.5NaAc/HAc缓冲溶液+2g纤维素溶于100ml去离子水+0.05g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在25℃下发酵3小时后得到纤维素水解液；扩散驱动水解室1内的纤维素为水溶性羟甲基纤维素；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：0.3M NaOH混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
阳极电极4为20wt.％Pd/CNT(钯/碳纳米管)负载在碳布上，空气阴极电极7为10wt.％Pt/C催化剂负载在碳布上。阳极催化剂Pd的涂敷量为2.5mg/cm2，阴极催化剂Pt的负载量0.5mg/cm2。电池组装后，图2给出产电结果，产生开路电压0.8V，产生最大功率密度914mW/m2。
本发明的化学反应机理：
纤维素水解反应：
电池阳极反应：
C6H12O6+2OH-→C6H12O7+H2O+2e- Ea＝0.853V
电池阴极反应：
1/2O2+H2O+2e-→2OH- Ec＝0.403V
电池总反应:
C6H12O6+1/2O2→C6H12O7 E＝1.256V
实施例2：秸秆纤维素
实施例2的结构与实施例1相同，不同之处在于：
秸秆预处理：小麦秸秆切成2cm长的小段，水洗五次铺在搪瓷托盘中置于60℃烘箱中烘干，用高速多功能粉碎机将秸秆打成粉末过80目筛，密封在塑料袋中备用。
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.5M pH＝6磷酸缓冲溶液缓冲溶液+2g经预处理后的秸秆纤维素溶于100ml去离子水+1g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在45℃下发酵24小时后得到纤维素水解液；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：1.0M KOH混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为微滤膜、超滤膜与反渗透膜的组合，电池隔膜为阴离子交换膜。
阳极电极4为30wt.％Pd/CNT(钯/碳纳米管)负载在碳布上，阳极催化剂Pd的涂敷量为4.0mg/cm2。空气阴极电极7为以泡沫镍为基体材料的空气阴极电极。空气阴极电极7的基体材料为泡沫镍，具体制作：碳黑(8mg/cm2)与聚四氟乙烯悬浮液(PTFE)(16mg/cm2)涂敷于泡沫镍一面，370℃加热20min，PTFE涂4层形成扩散层；活性炭、碳纳米管、PTFE和异丙醇按照25/cm2、1.0/cm2、8/cm2、60uL/cm2涂敷于泡沫镍另一面，370℃加热40min，形成空气阴极电极7，活性炭负载量25mg/cm2。电池组装后，图3给出产电结果，产生开路电压0.70V，产生最大功率密度600mW/m2。
实施例3：水溶性羟甲基纤维素
实施例3的结构与实施例1相同，不同之处在于：
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.2M pH＝4NaAc/HAc缓冲溶液+2g纤维素溶于100ml去离子水+0.06g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在30℃下发酵4小时后得到纤维素水解液；扩散驱动水解室1内的纤维素为水溶性羟甲基纤维素；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：0.3M醋酸钠混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为反渗透膜和微滤膜的组合膜，电池隔膜为阳离子交换膜。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.85V。
阳极电极4的基体材料为碳纸，阳极催化剂由Pt负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pt的涂敷量为1.5mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为碳毡，阴极催化剂由Pd负载于载体上得到，载体为碳纳米线，阴极催化剂涂敷在空气阴极电极的基体材料上得到空气阴极电极7，阴极催化剂Pd的负载量2.5mg/cm2。
实施例4：水溶性羟甲基纤维素
实施例4的结构与实施例1相同，不同之处在于：
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.25M pH＝5磷酸缓冲溶液+2g纤维素溶于100ml去离子水+0.08g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在35℃下发酵5小时后得到纤维素水解液；扩散驱动水解室1内的纤维素为水溶性羟甲基纤维素；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：2M醋酸钠混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为反渗透膜和超滤膜、纳滤膜的组合膜，电池隔膜为Nafion膜。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.6V。
阳极电极4的基体材料为碳布，阳极催化剂由Pd/Ni负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pd的涂敷量为2.0mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为碳毡，阴极催化剂由Au负载于载体上得到，载体为碳纳米线，阴极催化剂涂敷在空气阴极电极的基体材料上得到空气阴极电极7，阴极催化剂Au的负载量1.5mg/cm2。
实施例5：水溶性羟甲基纤维素
实施例5的结构与实施例1相同，不同之处在于：
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.20M pH＝5.5磷酸缓冲溶液+2g纤维素溶于100ml去离子水+1.0g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在50℃下发酵3小时后得到纤维素水解液；扩散驱动水解室1内的纤维素为水溶性羟甲基纤维素；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：2M醋酸钠混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为反渗透膜和微滤膜、纳滤膜的组合膜，电池隔膜为阴离子交换膜。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.65V。
阳极电极4的基体材料为碳布，阳极催化剂由Pd/Au负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pd、Au的涂敷量均为0.5mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为泡沫镍，具体制作：碳黑(6mg/cm2)与聚四氟乙烯悬浮液(PTFE)(14mg/cm2)涂敷于泡沫镍一面，370℃加热20min，PTFE涂4层形成扩散层；活性炭、碳纳米管、PTFE和异丙醇按照25/cm2、1.0/cm2、8/cm2、60uL/cm2涂敷于泡沫镍另一面，370℃加热40min，形成空气阴极电极7，活性炭负载量30mg/cm2。
实施例6：木屑
实施例6的结构与实施例2相同，不同之处在于：
木屑预处理：用高速多功能粉碎机将木屑打成粉末过80目筛，密封在塑料袋中备用。
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.25M pH＝6磷酸缓冲溶液缓冲溶液+2g经预处理后的纤维素溶于100ml去离子水+1.5g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在40℃下发酵18小时后得到纤维素水解液；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：2.0M KOH混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为微滤膜与反渗透膜的组合。电池隔膜为阴离子交换膜。
阳极电极4为20wt.％Pd/CNT(钯/碳纳米管)负载在碳布上，空气阴极电极7为以泡沫镍为基体材料的空气阴极电极。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.40V。
阳极电极4的基体材料为碳布，阳极催化剂由Pd负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pd的涂敷量为2.0mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为泡沫镍，具体制作：碳黑(6mg/cm2)与聚四氟乙烯悬浮液(PTFE)(14mg/cm2)涂敷于泡沫镍一面，370℃加热20min，PTFE涂4层形成扩散层；碳纳米管、PTFE和异丙醇按照25/cm2、1.0/cm2、8/cm2、60uL/cm2涂敷于泡沫镍另一面，370℃加热40min，形成空气阴极电极7，碳纳米管负载量30mg/cm2。
实施例7：小麦
实施例7的结构与实施例2相同，不同之处在于：
小麦预处理：用高速多功能粉碎机将秸秆打成粉末过80目筛，密封在塑料袋中备用。
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.2M pH＝5.6NaAc/HAc缓冲溶液+2g纤维素溶于100ml去离子水+1.0g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在55℃下发酵4小时后得到纤维素水解液；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：2.0M醋酸钠混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
阳极电极4为20wt.％Pd/CNT(钯/碳纳米管)负载在碳布上，空气阴极电极7为10wt.％Pd/C催化剂负载在碳布上。
扩散驱动隔膜2为反渗透膜和微滤膜、超滤膜的组合膜，电池隔膜为阴离子交换膜。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.35V。
阳极电极4的基体材料为碳布，阳极催化剂由Pd负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pd的涂敷量为2.0mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为碳毡，阴极催化剂由Pt负载于载体上得到，载体为碳纳米线，阴极催化剂涂敷在空气阴极电极的基体材料上得到空气阴极电极7，阴极催化剂Pt的负载量0.6mg/cm2。
实施例8：大豆
实施例8的结构与实施例2相同，不同之处在于：
大豆预处理：用高速多功能粉碎机将大豆打成粉末过80目筛，密封在塑料袋中备用。
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.25M pH＝6磷酸缓冲溶液+2g纤维素溶于100ml去离子水+0.08g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在45℃下发酵4小时后得到纤维素水解液；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：1M醋酸钠混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为反渗透膜，电池隔膜为阳离子交换膜膜。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.36V。
阳极电极4的基体材料为碳布，阳极催化剂由Pd/Au负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pd、Au的涂敷量均为1.0mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为碳毡，阴极催化剂由Au负载于载体上得到，载体为碳纳米线，阴极催化剂涂敷在空气阴极电极的基体材料上得到空气阴极电极7，阴极催化剂Au的负载量1.0mg/cm2。
实施例9：麦麸
实施例9的结构与实施例2相同，不同之处在于：
麦麸预处理：粉末过80目筛，密封在塑料袋中备用。
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.25M pH＝5NaAc/HAc缓冲溶液+2g纤维素溶于100ml去离子水+1.0g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在50℃下发酵3小时后得到纤维素水解液；扩散驱动水解室1内的纤维素为水溶性羟甲基纤维素；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：2M氢氧化钠混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为反渗透膜和超滤膜的组合膜，电池隔膜为阴离子交换膜。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.42V。
阳极电极4的基体材料为碳布，阳极催化剂由Pt负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pt的涂敷量为1.0mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为碳布，阴极催化剂由Pd负载于载体上得到，载体为碳纳米线，阴极催化剂涂敷在空气阴极电极的基体材料上得到空气阴极电极7，阴极催化剂Pd的负载量2.0mg/cm2。
实施例10：干草
实施例10的结构与实施例2相同，不同之处在于：
干草预处理：干草切成2cm长的小段，水洗五次铺在搪瓷托盘中置于60℃烘箱中烘干，用高速多功能粉碎机将秸秆打成粉末过80目筛，密封在塑料袋中备用。
一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，具体步骤如下：
A、将浓度为0.25M pH＝6磷酸缓冲溶液缓冲溶液+2g经预处理后的纤维素溶于100ml去离子水+1.8g纤维素酶的混合物放入扩散驱动水解室1内，该混合物在40℃下发酵20小时后得到纤维素水解液；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室1内通过扩散驱动隔膜2渗透作用进入阳极室3，与阳极室3内填充的支持电解质：2.0M氢氧化钠混合在一起形成阳极液，阳极室3内设有阳极电极4，阴极室6内设有空气阴极电极7，阳极电极4与空气阴极电极7经导线分别与外负载9的两端相连，电能产生。
扩散驱动隔膜2为纳滤膜与反渗透膜的组合。电池隔膜为阴离子交换膜。
阳极电极4为20wt.％Pd/CNT(钯/碳纳米管)负载在碳布上，空气阴极电极7为以泡沫镍为基体材料的空气阴极电极。
阳极电极4与空气阴极电极7之间的氧化还原电势相差0.45V。
阳极电极4的基体材料为碳布，阳极催化剂由Pd负载于载体上得到，载体为碳纳米管，阳极催化剂涂敷在阳极电极4基体材料上得到阳极电极4，阳极催化剂Pd的涂敷量为2.5mg/cm2。
空气阴极电极7的基体材料为泡沫镍，具体制作：碳黑(10mg/cm2)与聚四氟乙烯悬浮液(PTFE)(18mg/cm2)涂敷于泡沫镍一面，370℃加热20min，PTFE涂4层形成扩散层；活性炭、PTFE和异丙醇按照25/cm2、1.0/cm2、8/cm2、60uL/cm2涂敷于泡沫镍另一面，370℃加热40min，形成空气阴极电极7，活性炭负载量35mg/cm2。

Claims (7)

1.一种扩散驱动下的直接纤维素产电装置，包括完全封闭的壳体，其特征在于：在壳体的壳腔的中部设有竖向间隔放置的扩散驱动隔膜和电池隔膜，扩散驱动隔膜和电池隔膜将壳腔分隔为左边的扩散驱动水解室、中间的阳极室和右边的阴极室，在扩散驱动水解室内设有纤维素，扩散驱动水解室与阳极室通过扩散驱动隔膜相连，在阳极室内设有阳极电极，在阳极室内填充有支持电解质，支持电解质与从扩散驱动水解室内通过扩散驱动隔膜渗透过来的纤维素水解液混合在一起形成阳极液，在阴极室内设有空气阴极电极，在阴极室内填充有阴极液，在空气阴极电极的内部设有若干个自呼吸通道，阳极电极与空气阴极电极经导线分别与外负载的两端相连。
2.根据权利要求1所述的扩散驱动下的直接纤维素产电装置，其特征在于：扩散驱动隔膜为反渗透膜；或，扩散驱动隔膜为反渗透膜和微滤膜、超滤膜、纳滤膜中的一种的组合膜；或，扩散驱动隔膜为反渗透膜和微滤膜、超滤膜、纳滤膜中的两种或三种的组合膜。
3.根据权利要求1所述的扩散驱动下的直接纤维素产电装置，其特征在于：电池隔膜为阴离子交换膜、阳离子交换膜或nafion膜的一种。
4.根据权利要求1所述的扩散驱动下的直接纤维素产电装置，其特征在于：阳极电极与空气阴极电极之间的氧化还原电势相差0.3～1.6V。
5.一种扩散驱动下的直接纤维素产电方法，其特征在于：具体步骤如下：
A、将纤维素、纤维素水解酶和pH 4-6的醋酸缓冲溶液的混合物或纤维素、纤维素水解酶、pH 4-6的磷酸缓冲溶液的混合物放入扩散驱动水解室内，该混合物在25-90℃下发酵2-24小时后得到纤维素水解液；
B、纤维素水解液从扩散驱动水解室内通过扩散驱动隔膜渗透作用进入阳极室，与阳极室内填充的支持电解质混合在一起形成阳极液，阳极室内设有阳极电极，阴极室内设有空气阴极电极，阳极电极与空气阴极电极经导线分别与外负载的两端相连，电能产生。
6.根据权利要求5所述的扩散驱动下的直接纤维素产电方法，其特征在于：扩散驱动水解室内的纤维素为水溶性纯化纤维素化学品：水溶性羟甲基纤维素；或固体纤维素：农业废弃物、林业废弃物、木材、棉花、大米、小麦、玉米、麦麸、粗加工的谷类、草、大豆、赤豆、绿豆、蚕豆、青豆、红薯、山药、马铃薯、萝卜、西红柿、黄瓜、笋干、辣椒、蕨菜，或者这些物质的混合物；其中：农业废弃物包括秸秆、稻壳、甘蔗渣，林业废弃物包括木屑。
7.根据权利要求5所述的扩散驱动下的直接纤维素产电方法，其特征在于：在扩散驱动水解室内的纤维素中添加有纤维素水解酶、pH 4-6的醋酸缓冲溶液的混合物或纤维素水解酶、pH 4-6的磷酸缓冲溶液的混合物，该混合物在25-90℃下发酵2-24小时。
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