[發明專利]一種羰基鐵沉積法制備鐵-碳復合電極材料的裝置及方法

有效

• 申請號: 201110319458.X
• 申請日: 2011-10-19
• 公開（公告）號: CN103066303A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 李浩然;王鵬;賴斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;B22F9/30
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;高宇

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池領域，具體地，本發明涉及一種羰基鐵沉積法制備鐵-碳復合電極材料的裝置及方法。

背景技術

隨著人類社會的高速發展，傳統化石燃料已經瀕臨枯竭，難以長期支持人類生存和發展，也帶來了環境污染、全球氣候變暖等生態威脅。同時，工業和生活廢水排放量以及廢水中化學需氧量(COD)排放量也在逐年遞增，危害環境，降低經濟運行效率。常規的污水處理方法不僅耗能高，同時也會加劇溫室效應。

微生物燃料電池(MFC)是近幾年來發展的水處理和產電的一種實用新技術。MFC利用微生物作為催化劑來降解有機物，產生電能，實現了從污水處理到能量回收的一步轉化。此外，MFC還具有轉化效率高，底物適用范圍廣，操作條件溫和，微生物作為催化劑可自我復制等眾多優點，因此，其將具有不可限量的應用開發前景。

但是目前，構造成本依然是限制MFC廣泛應用的主要因素，多數MFC采用貴金屬Pt作為陰極催化劑，這極大的增加了MFC的構造成本；采用鎳合金、碳納米管及導電聚合物物作為陽極催化劑雖有所改善，但也不能從根本上同時解決成本效率問題。同時，目前在負載鉑、鐵以及導電聚合物的手段均是通過分散劑以及粘附劑進行刷涂，效率低下，不能大批量操作，并且涂覆不均勻，影響實驗效果。因此設計出用羰基鐵法沉積于石墨電極上制備鐵-碳復合電極作為MFC的陰、陽極材料，不僅能大幅降低構造成本，也能獲得很好的產電性能，對MFC的應用具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于為了克服上述問題提供了一種羰基鐵沉積法制備鐵-碳復合電極材料的裝置。

本發明的再一目的在于為了克服上述問題提供了一種羰基鐵沉積法制備鐵-碳復合電極材料的方法。

為了實現上述目的，本發明提供的羰基鐵沉積法制備鐵-碳復合電極材料的裝置，包括依次連通設置的進氣室12、加熱室13和沉積室6，其中進氣室12和加熱室13之間以及加熱室13和沉積室6之間設有法蘭，在進氣室12和加熱室13的中心軸上設有羰基鐵進料管1，所述進氣室12底部設有CO進氣口2，所述沉積室6沿氣流方向設有石墨氈，加熱室中設有加熱裝置。

作為上述方案的一種改進，所述羰基鐵進料管1為雙層套管，內管為羰基鐵流動相，外管為高壓高純CO氣體，既可以將羰基鐵氣化，又可以保護羰基鐵不被氧化。

作為上述方案的又一種改進，所述裝置為圓柱形鑄鐵，其中進氣室12和加熱室13柱體直徑相同，沉積室6直徑比進氣室12和加熱室13大，以增加石墨氈的處理量，提高生產效率。

作為上述方案的再一種改進，所述羰基鐵進料管1靠近沉積室6的一端設有氣化噴嘴3，所述氣化噴嘴3的上部設有風帽5，風帽使羰基鐵氣流分流，使其在反應器內分布均勻，同時給予其一定的動能，使其產生強烈擾動，防止羰基鐵顆粒沉積。

作為上述方案的再一種改進，本發明的沉積室中放置石墨氈，石墨氈的平面與氣流方向平行，這樣放置既可以保證羰基鐵在石墨氈表面有效的沉積，方便通過控制羰基鐵氣流來控制羰基鐵在石墨氈表面沉積的形貌，也可以降低流通阻力，降低能耗，防止氣流破壞石墨氈。

作為上述方案的再一種改進，所述裝置在沉積室6出口設有設置換熱器7，所述換熱器7與CO進氣口2相連通，用于對反應氣CO的預熱。

作為上述方案的還一種改進所述換熱器7的出口依次連通旋風收塵8、擴散收塵9、沖擊收塵10和文氏管11，用于對反應尾氣中的氣固混合物進行分離和凈化，分離得到的固體經再加工后回收利用。

本發明的羰基鐵由泵以一定的流速壓入反應器，羰基鐵的形式一般為液態，也可以為微小固態顆粒，羰基鐵的形式主要取決于石墨氈上羰基鐵沉積的形貌尺寸等特征。

本發明的尾氣后續處理裝置由一系列的換熱、分離和收塵設備組成。從沉積室流出的高溫氣體需要進行分離和收集以達到節能環保和降低成本目的。首先高溫混合尾氣進入換熱器，利用尾氣的余熱將CO原料氣加熱，換熱過程中，一部分固體顆粒被分離出來。這樣既達到節能要求，也能對尾氣進行初步的分離。然后換熱后的尾氣進一步經旋風收塵、擴散收塵、沖擊收塵和文氏管等收集裝置后，將固體混合物進行分離，經再加工后回收利用。

此外，本發明提供了一種制備鐵-碳復合電極材料的方法，所述方法包括以下步驟：

1)將羰基鐵通過羰基鐵進料管進入氣化噴嘴，反應氣CO通過CO進氣口2進入加熱室，羰基鐵通過氣化噴嘴3分散，在氣化噴嘴3與風帽5之間的空間內和CO反應，生成五羰基鐵合鐵；