一种太阳光强化产电的沉积型微生物燃料电池

技术领域

本发明属于新能源与新材料应用技术领域，具体涉及利用太阳光辐射为推动力，采用光敏材料负载阴极强化微生物燃料电池的产电能力。 

背景技术

沉积物微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell,SMFC)由埋在厌氧底泥中的阳极和悬于好氧水体中的阴极组成，这种特殊结构使其适用于河流、湖泊或海洋底泥修复和固体废弃物处理。与现有的河湖底泥原位处理技术和生态疏浚技术相比，SMFC技术可以利用天然存在的微生物将底泥中有机物彻底氧化成CO₂和水，过程环保，无二次污染。 

SMFC在进行底泥原位修复的同时，还有望为水体中小型耗电装置如传感器等供电，具有广阔的应用前景。然而，SMFC目前输出功率较低，还不能满足商业化的要求，因此如何提高体系的产电性能，降低其运行成本自然成为了该领域亟待解决的问题。SMFC以空气中大量存在的氧气为阴极终端电子受体。虽然氧气具有较高的还原电势，但其在阴极表面的还原反应(ORR)速率较慢，严重限制了SMFC的输出功率。 

近年来，在阴极表面负载ORR催化剂如Pt、CoTTMP和FePc等可以显著提高SMFC体系的输出功率。然而，Pt催化剂高昂的价格无疑会增大SMFC的成本，限制其实际应用，过渡金属大环化合物CoTTMP和FePc虽然也具有ORR催化活性但是稳定性较差，电极性能会随着运行时间的延长不断衰减。 

光催化材料又称光触媒，在光激发下，电子从价带跃迁到导带位置，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。光生电子和空穴在内部电场作用下分离并迁移到材料表面，进而在表面发生氧化还原反应。一方面光生电子进入电路传递给阴极终端电子受体O₂，将太阳能转化为电能；另一方面光生空穴具有强氧化性，可以氧化阴极区有机物，保持阴极附近溶氧浓度维持在较高水平。最终提高SMFC体系的输出电压和功率密度。Lu等(Energy Fuels,2010,24:1184-1190)将具有光催化活性的天然金红石粉末负载在阴极表面，以O₂作为阴极终端电子受体，运行双室MFC发现，体系的最大功率密度由5.73W/m³增大到12.03W/m³，但是目前这种光敏阴极并未用于太阳光辐射下强化SMFC产电和沉积物有机质去除的报道。 

这种太阳光辐射强化产电的SMFC尤其适用于在自然水体中。在富营养底泥原位修复的同时，将太阳能转化为电能，并提高SMFC对阳极沉积物中有机物的去除效率。 

发明内容

本发明提供了一种太阳光强化产电的沉积物微生物燃料电池，其阴极采用光敏材料负载电极。 

SMFC光敏阴极的制备方法，将光敏材料与导电剂(活性炭、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑和石墨烯)和粘结剂(Nafion溶液、PTFE乳液和PVDF乳液)按照一定比例混合均匀成浆料。将该浆料均匀地喷涂于电极基材(碳纸、碳布、碳毡、活性炭纤维毡和石墨毡)上，形成SMFC光敏阴极。 

具体的制备步骤如下： 

1)将光敏材料与一种或多种导电剂按比例混合； 

2)向上述混合物中加入一定体积的粘结剂并均匀混合成浆状物； 

3)将上述浆状物均匀地喷涂或涂覆于电极基材上； 

4)烘箱中40°C下干燥。 

所述光敏材料和导电剂的质量比为1:0.05～1:1。 

所述光敏材料包括TiO₂、TiO₂-ZnO、TiO₂-W、BiVO₄、Bi₂WO₆或Cu₂O中的一种或多种。 

所述导电剂为活性炭或者乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑或石墨烯中的一种或多种。 

所述粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)乳液、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液或Nafion溶液中一种或多种。 

本发明所述的沉积型微生物燃料电池的结构包括光敏阴极，碳纸、碳布、碳毡、活性炭纤维毡或石墨毡阳极，电极支架，外导线以及100～1000Ω外电阻。 

本发明将光敏阴极沉积型微生物燃料电池置于天然河湖沉积物或市政污泥中，以太阳光辐射为推动力，激发光敏材料产生光生电子和空穴，强氧化性空穴氧化阴极区有机质，使得阴极区溶氧保持在较高浓度，另一方面光生电子进入电路参与ORR反应，从而强化沉积型微生物燃料电池的输出电压和输出功率。本发明采用光敏阴极强化沉积型微生物燃料电池，将太阳能转化为电能的同时，促进沉积型微生物燃料电池的产电能力及其对河湖沉积物或市政污泥中有机质的去除效率，具有极大的实用价值。 

附图说明

图1为太阳光强化产电的沉积型微生物燃料电池的结构示意图 

外接电阻1，光敏阴极2，电极支架3，阳极4以及外导线5。 

具体实施方式

以下结合附图所示对本发明做进一步说明。 

本发明所述的太阳光强化的沉积型微生物燃料电池太阳光强化产电的沉积型微生物燃料电池的结构如图1所示，外接电阻1，光敏阴极2，电极支架3，阳极4以及外导线5。其产电过程为：将一定体系的河湖沉积物加入圆柱形容器中淹没过阳极，加入一定体积的磷酸盐缓冲溶液或自然河水、湖水作为阴极电解液。静置后形成泥水分界面，泥水界面以下为阳极区，以上为阴极区。 

阳极区，微生物在厌氧条件下氧化沉积物种的有机质，产生电子，质子，CO₂或氧化中间体等。电子经外电路转移到阴极。在阴极表面终端电子受体O₂与电子和质子反应生成H₂O。 

光敏材料的作用在于，在太阳光辐射下，光敏材料能够产生光生电子和空穴，强氧化性空穴氧化阴极区有机质，使得阴极区溶氧保持在较高浓度，另一方面光生电子进入电路参与ORR反应，从而强化沉积型微生物燃料电池的输出电压和输出功率。 

实例1 

光敏电极的制备：分别称取一定质量的TiO₂、TiO₂-ZnO和TiO₂-W与乙炔黑导电剂按照质量比7:3混合，分别加入一定体积的60%的PTFE乳液，调整浓度为1.5mL/g。混合均匀后分别均匀地涂覆于石墨毡上，在40°C烘箱中干燥后待用。 

沉积型微生物燃料电池性能测试 

如附图1所示，将阴阳极分别放在支架上置于2L圆柱形容器中，联接外导线和500Ω外阻，先后加入800mL湖底沉积物和800mL pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液，静止后形成明显的泥水界面，接通电路，记录体系的输出电压。空白阴极，TiO₂、TiO₂-ZnO和TiO₂-W光敏阴极体系的最大输出电压分别为: 

实例2 

光敏电极的制备：分别称取一定质量的BiVO₄、Bi₂WO₆和Cu₂O与乙炔黑导电剂按照质量比7:3混合，分别加入一定体积的60%的PTFE乳液，调节浓度为1.5mL/g。混合均匀后分 别均匀地涂覆于石墨毡上，在40°C烘箱中干燥后待用。 

沉积型微生物燃料电池性能测试 

如附图1所示，将阴阳极分别放在支架上置于2L圆柱形容器中，联接外导线和500Ω外阻，先后加入800mL湖底沉积物和800mL pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液，静止后形成明显的泥水界面，接通电路，记录体系的输出电压。空白阴极，TiO₂、TiO₂-ZnO和TiO₂-W光敏阴极体系的最大输出电压分别为 

虽然本发明公开以上实施例，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。