[發明專利]一種無膜空氣微生物燃料電池陰極及其制備方法

無效

• 申請號: 201110236480.8
• 申請日: 2011-08-17
• 公開（公告）號: CN102306807A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 馮春華;陳炎豐;許建明;彭東慶;呂志盛;韋朝海
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池領域，具體是一種無膜空氣微生物燃料電池陰極及其制備方法。

背景技術

微生物燃料電池通過使用具有產電活性的細菌為催化體直接將儲存在生物質中的化學能轉化為電能。與傳統的燃料電池相比，微生物燃料電池不受卡諾熱機循環的限制，具有能量轉化效率高、零污染等特點，而且還擁有新的特點，如廣泛的燃料來源和反應條件溫和。同時，微生物燃料電池在污水處理方面具有巨大的潛力，將污染物作為燃料供微生物燃料電池中的細菌代謝并獲得電能。不僅節省了污水處理的操作費用，而且從中還能得到電能。

????空氣陰極微生物燃料電池，將陰極直接暴露在空氣中代替曝氣，減少了通氣及設備，可降低運行費用；結構簡單、去除了昂貴的萘酚117質子交換膜，降低了電池制作成本，有利于實際應用；空氣為電子受體，產物為水，無二次污染。這些都為微生物燃料電池的產業化應用打下了堅實的基礎。

單室空氣陰極微生物燃料電池陰極大多使用以鉑為代表的貴金屬為催化劑，這類催化劑具有電化學活性高，產電性能高等特點，但是，其昂貴的價格限制了單室空氣陰極微生物燃料電池的實際應用。而普通的催化劑如炭黑，碳納米管等，電池的產電性能又不高。另一方面，傳統的單室空氣陰極微生物燃料電池擴散層采用聚四氟乙烯（PTFE）或聚二甲基硅氧烷（PDMS），這類物質價格比較昂貴，操作也比較復雜，這大大增加了電池制作成本和工藝的復雜性。

因此，開發一種高效，低成本的催化劑以及使用簡單的擴散層材料，并由此制得廉價，高性能的微生物燃料電池是其產業化應用的關鍵技術。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種無膜空氣微生物燃料電池陰極及其制備方法，本發明通過微生物的代謝，將儲存在生物質中的化學能轉化為電能，具有很高的產電性能。

本發明實現目的所采用的技術方案包括：

一種無膜空氣微生物燃料電池陰極的制備方法，包括如下步驟：?

（1）將導電炭黑與陰極的擴散層材料，按質量比為3:10～13混合，均勻涂在作為陰極材料載體的不銹鋼網的一面上，干燥半小時；

（2）將電池陰極催化劑與質量百分比為5%的萘酚溶液，按每1?mg催化劑對應于2～8?uL的萘酚溶液的比例混合，并超聲30分鐘；

（3）將上述超聲后的混合物均勻涂在不銹鋼網的另一面上，干燥1小時；

（4）將橡膠裁剪成與電池盒陰極壓板一樣大小的墊圈，將該橡膠墊圈與陰極壓板固定，即可制得所需無膜空氣微生物燃料電池陰極。

所述不銹鋼網目數為50～200目，使用前用質量百分比為95%以上的無水乙醇超聲30分鐘。

所述陰極的擴散層材料為聚甲基苯甲基硅烷。

所述電池陰極催化劑為碳納米管負載的二氧化錳，其合成方法包括如下步驟：將摩爾濃度為0.045～0.1?mol/L的高錳酸鉀溶液與5～15?um長的碳納米管，按100?mL高錳酸鉀溶液比400～700?mg碳納米管的比例混合，并調節混合溶液的pH值為1.0～2.0，控制溫度60～90℃，加熱5～8小時，再減壓過濾，洗滌，再將洗滌后的濾餅在100～120℃溫度下烘干。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：

（1）本發明催化材料合成簡單，條件容易實現，而且價格低廉，大大降低了電池的制造成本。

（2）本發明的陰極擴散層材料采用采用廉價的聚甲基苯甲基硅烷，而且其使用方法簡單，大大降低了制作電池工藝的復雜性，陰極采用催化層與擴散層分別涂于不銹鋼網兩面，防水效果優越，減少了陽極溶液的損失，有利于電池的長期運行。

（3）陰極擴散層直接與空氣接觸，氧氣通過擴散層直接與催化層接觸反應，減少通氣及設備，降低了電池的運行成本。

（4）利用本發明制備的新型陰極具有結構簡單，制備簡單快捷，成本低，易于實現產業化的特點，能夠用于制備高性能低成本的微生物燃料電池，有效地在處理廢水過程中獲得較為可觀的電能。

附圖說明

圖1為本發明電池陰極的結構示意圖；

圖2為本發明電池陰極在電池中的位置及整個電池的結構示意圖；圖中標號：a為不銹鋼網、b為擴散層、c為催化層；1為電池陽極殼體、2為陽極碳氈、3為電池支座、4為螺紋螺母、5為橡膠墊圈、6為陰極壓板、7為陽極導線（鈦絲）、8為硅膠塞、9為陽極加液孔；

圖3為本發明實施例1的輸出功率密度曲線；

圖4為本發明實施例2的輸出功率密度曲線；