CN109879283A - 一种生物质多孔碳材料的制备方法及其在微生物燃料电池阳极的应用 - Google Patents

一种生物质多孔碳材料的制备方法及其在微生物燃料电池阳极的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质多孔碳材料的制备方法及其在微生物燃料电池阳极的应用，包括如下步骤：(1)将收集到的一次性筷子破碎、洗涤、超声并干燥；(2)将破碎的一次性筷子在活化剂水溶液中活化处理，然后取出干燥；(3)将干燥后的产物在惰性气体分为下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用水洗涤，直到中性，将洗涤后的产物干燥，得到一次性筷子多孔碳材料。本发明通过碳化一次性筷子，得到多孔碳材料，制备方法简单廉价，为多孔碳材料的大批量制备提供参考。将一次性筷子多孔碳材料作为微生物燃料电池阳极有利于阳极室内产电微生物的附着，提供更多的活性位点，有利于提高微生物燃料电池的产电功率。

Description

一种生物质多孔碳材料的制备方法及其在微生物燃料电池阳 极的应用
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种生物质多孔碳材料的制备方法及其在微生物燃料电池阳极的应用。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一种可以直接氧化废水或沉积物中有机物，将其化学能转化为电能的装置。微生物燃料电池是21世纪环境工程领域新兴的废水处理同步能源回收技术，作为一个崭新且富有挑战的领域，因此引起了全世界的关注。但是，目前MFCs还存在输出功率较低、成本较高等问题。由于MFCs的阳极主要用于生长微生物，同时将产生的电子传递到外接电路，因此阳极是MFCs功率密度大小的一个重要原因。MFCs的阳极材料具有有效的比表面积、传质效率以及电子的传递速率直接影响微生物膜的生长密度，微生物膜的生长情况直接影响阳极的性能，从而直接影响MFCs的性能。因此寻求一种可以价格低廉、导电性好、生物相容性较好的电极材料十分重要。
生物质碳材料是指由富含碳的生物质在无氧的条件下，经过高温裂解生成的一种富含碳素的多孔固体颗粒物质。生物质碳材料含有大量的碳，具有丰富的空隙结构、较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基因，在MFCs中是一种很有前景的电极材料。利用可再生的生物质作为碳源来代替日益枯竭的化石燃料，是未来全国乃至全球发展的方向，由于生物质价格低廉、来源广泛，所以采用生物质作为多孔碳材料的原料未来多孔碳材料领域的重要组成部分。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种生物质多孔碳材料的制备方法及其在微生物燃料电池阳极的应用，本发明直接利用生活中的废弃的一次性筷子为生物质来源，通过简单的活化、碳化的方法，制备多孔碳材料，并将制备的多孔碳用作微生物燃料电池的电极材料，使得MFC产生出较高的电能。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种生物质多孔碳材料的制备方法，所述方法包括以下步骤，
(1)、将一次性筷子破碎、洗涤、超声并干燥；
(2)、将破碎后的一次性筷子在活化剂的水溶液中活化处理，然后取出并干燥；
(3)、将干燥过的产物在惰性气体范围下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用去离子水洗涤直至中性，将洗涤后的产物干燥，得到生物质多孔碳材料。
优选的，所述步骤(2)中的活化剂为ZnCl2溶液，所述ZnCl2溶液的浓度为4mol/L。
优选的，所述步骤(2)中活化处理的温度为150℃，活化处理的时间为12h。
优选的，所述步骤(3)中高温碳化的碳化温度为600℃、800℃、1000℃中的任一一种。
优选的，所述步骤(3)中高温碳化的碳化时间为2h。
优选的，所述步骤(3)中的惰性气体为N2或Ar。
优选的，所述步骤(3)中的酸为盐酸，所述盐酸浓度为1mol/L。
一种生物质多孔碳材料在微生物燃料电池阳极的应用，包括以下步骤，
a、所述的生物质碳材料应与相应的溶剂粘合剂混合制作成浆液涂在长1cm，宽1cm的碳布上，制作成微生物燃料电池阳极，与普通碳布电极一起组装于同一阳极室内；
b、使用碳刷作为微生物燃料电池阴极，阴阳两极室经过质子交换膜相链接搭建成为H型微生物燃料电池装置，温度需在30℃，将配好的微生物生长液注射入阳极室中，以及阴极液注入阴极室内；
c、链接电压数据采集器，机器每五分钟采集一次外电阻电压值，根据外电阻电压值的变化，定期更换阴极液与阳极液；
d、培养两个月，在降低外电路电阻值的条件下，筛选出抗电流通过的微生物菌群，微生物则稳定生长成微生物膜负载于阳极上，可进一步进行相关性能的测试。
优选的，所述步骤b中阴极液和阳极液的PH值为中性。
优选的，所述步骤c中从大到小更换外电路电阻值以便筛选出能够抗高电流通过的微生物菌群。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明以天然的生物质废弃物一次性筷子为原料，价格低廉、量大，性能优异，绿色环保，应用广泛。
(2)处理过程简单，加入少量的活化剂通过高温煅烧即可得到较高比表面积的多孔碳材料，实现了生物质资源的有效利用。
(3)一次性筷子生物质多孔碳材料生物相容性较好，比表面积较大，有利于阳极产电微生物的附着及生长，可有效提高微生物燃料电池的产电性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明800℃的生物质多孔碳材料的SEM图；采用场发射扫描电镜观察了样品800℃的表明形貌图，可以观察到材料由蜂窝状的多孔结构组成，孔结构密集且相对均匀，表面十分粗糙。样品800℃的多孔结构可以为微生物生长提供场所，有利于增加阳极微生物的负载量，从而提高MFC产电性能。
图2是本发明800℃的生物质多孔碳材料的BET图；比表面积高达574cm2g，表明样品的孔数量很多。根据图中支孔径分布曲线，可以看出样品的孔径主要分布在10nm以内，并且2nm分布也较为集中，表明样品含有较多微孔以及中孔，可为微生物提供更多的活性位点，从而影响MFC的产电性能。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
一种生物质多孔碳材料的制备方法，所述方法包括以下步骤，
(1)、将一次性筷子破碎、洗涤、超声并干燥；
(2)、将破碎后的一次性筷子在活化剂的水溶液中活化处理，然后取出并干燥；
(3)、将干燥过的产物在惰性气体范围下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用去离子水洗涤直至中性，将洗涤后的产物干燥，得到生物质多孔碳材料。
所述步骤(2)中的活化剂为ZnCl2溶液，所述ZnCl2溶液的浓度为4mol/L。
所述步骤(2)中活化处理的温度为150℃，活化处理的时间为12h。
所述步骤(3)中高温碳化的碳化温度为600℃、800℃、1000℃中的任一一种。
所述步骤(3)中高温碳化的碳化时间为2h。
所述步骤(3)中的惰性气体为N2或Ar。
所述步骤(3)中的酸为盐酸，所述盐酸浓度为1mol/L。
一种生物质多孔碳材料在微生物燃料电池阳极的应用，包括以下步骤，
a、所述的生物质碳材料应与相应的溶剂粘合剂混合制作成浆液涂在长1cm，宽1cm的碳布上，制作成微生物燃料电池阳极，与普通碳布电极一起组装于同一阳极室内；
b、使用碳刷作为微生物燃料电池阴极，阴阳两极室经过质子交换膜相链接搭建成为H型微生物燃料电池装置，温度需在30℃，将配好的微生物生长液注射入阳极室中，以及阴极液注入阴极室内；
c、链接电压数据采集器，机器每五分钟采集一次外电阻电压值，根据外电阻电压值的变化，定期更换阴极液与阳极液；
d、培养两个月，在降低外电路电阻值的条件下，筛选出抗电流通过的微生物菌群，微生物则稳定生长成微生物膜负载于阳极上，可进一步进行相关性能的测试。
所述步骤b中阴极液和阳极液的PH值为中性。
所述步骤c中从大到小更换外电路电阻值以便筛选出能够抗高电流通过的微生物菌群。
实施例2
生物质多孔碳材料的制备：将收集到的一次性筷子浸泡在去离子水中超声洗涤，60℃条件下干燥24h并破碎；将破碎好的材料放入4mol/L的ZnCl2溶液中，混合液容量不超过反应釜内衬容量的70％进行150℃水热反应12个小时，反应结束后抽滤并在60℃条件下干燥24h；将干燥后的产物在惰性气体氛围下煅烧，从常温以5℃/min升温到600℃、800℃、1000℃，并分别在其温度下保持2h，自然冷却至室温，取出后为黑色多孔状固体，研磨代用。
生物质多孔碳材料杂质的去除：将(1)中最终生成的产物依次用1mol/L的稀盐酸以及去离子水冲洗，过滤并在60℃真空条件下干燥24h，最终得到一次性筷子生物质多孔碳材料。
生物质多孔碳材料在微生物燃料电池阳极方面的应用：将碳材料与相应的溶剂以及粘合剂混合制做成浆液均匀涂抹于长款为2*1cm的碳布上制作成电极，与普通碳布组装于同一微生物燃料电池阳极室内。普通碳刷为阴极，阴阳两极室与质子交换膜组装成H型微生物燃料电池装置，外电路链接电阻。在室温30℃左右条件下，将配置好的阴极液与阳极液分别注射对应的阴、阳极室。通过电压数据采集器每五分钟采集一次外电阻的电压值，根据外电阻电压值的变化，定期更换阴极液与阳极液，直至微生物稳定生长方可进行相关性能的测试。
本发明的有益效果是：
(1)本发明以天然的生物质废弃物一次性筷子为原料，价格低廉、量大，性能优异，绿色环保，应用广泛。
(2)处理过程简单，加入少量的活化剂通过高温煅烧即可得到较高比表面积的多孔碳材料，实现了生物质资源的有效利用。
(3)一次性筷子生物质多孔碳材料生物相容性较好，比表面积较大，有利于阳极产电微生物的附着及生长，可有效提高微生物燃料电池的产电性能。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
(1)、将一次性筷子破碎、洗涤、超声并干燥；
(2)、将破碎后的一次性筷子在活化剂的水溶液中活化处理，然后取出并干燥；
(3)、将干燥过的产物在惰性气体范围下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用去离子水洗涤直至中性，将洗涤后的产物干燥，得到生物质多孔碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的活化剂为ZnCl2溶液，所述ZnCl2溶液的浓度为4mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中活化处理的温度为150℃，活化处理的时间为12h。
4.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中高温碳化的碳化温度为600℃、800℃、1000℃中的任一一种。
5.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中高温碳化的碳化时间为2h。
6.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的惰性气体为N2或Ar。
7.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的酸为盐酸，所述盐酸浓度为1mol/L。
8.一种生物质多孔碳材料在微生物燃料电池阳极的应用，其特征在于：包括以下步骤，
a、所述的生物质碳材料应与相应的溶剂粘合剂混合制作成浆液涂在长1cm，宽1cm的碳布上，制作成微生物燃料电池阳极，与普通碳布电极一起组装于同一阳极室内；
b、使用碳刷作为微生物燃料电池阴极，阴阳两极室经过质子交换膜相链接搭建成为H型微生物燃料电池装置，温度需在30℃，将配好的微生物生长液注射入阳极室中，以及阴极液注入阴极室内；
c、链接电压数据采集器，机器每五分钟采集一次外电阻电压值，根据外电阻电压值的变化，定期更换阴极液与阳极液；
d、培养两个月，在降低外电路电阻值的条件下，筛选出抗电流通过的微生物菌群，微生物则稳定生长成微生物膜负载于阳极上，可进一步进行相关性能的测试。
9.根据权利要求8所述的一种生物质多孔碳材料在微生物燃料电池阳极的应用，其特征在于：所述步骤b中阴极液和阳极液的PH值为中性。
10.根据权利要求8所述的一种生物质多孔碳材料在微生物燃料电池阳极的应用，其特征在于：所述步骤c中从大到小更换外电路电阻值以便筛选出能够抗高电流通过的微生物菌群。
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