[發明專利]一種微生物燃料電池空氣陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201210062506.6
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102655235A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 董恒;于宏兵;王鑫
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池空氣陰極的制作方法，具體涉及一種微生物燃料電池空氣陰極及其制備方法。

背景技術

微生物燃料電池是一種能將生物質能轉化為電能的裝置，具有底物適應性強、操作條件溫和、無需輸入能量即可實現電能生產、環境友好、可靠性高、可持續利用等優點，特別是在使用污水做燃料時還可達到處理污水的效果。以廉價、易得的氧氣作為電子受體的空氣擴散電極，已廣泛的應用在商品化的燃料電池和金屬空氣電池中，如美國ALUPOWER公司和Evionyx公司生產的堿性金屬-空氣電池。空氣陰極在微生物燃料電池中雖然是研究最多的一種陰極形式，但目前僅限于各個實驗小組自制自用，還沒有商品化的產品可以在工業中大規模生產和應用。微生物燃料電池里常用的空氣陰極的制作方法是由logan等人(Cheng，S.A..；Liu，H.；Logan，B.E.，Increased?performance?of?single-chambermicrobial?fuel?cells?using?an?improved?cathode?structure.Electrochemistry?Communications?2006，8，(3)，489-494.)提出的，以碳布或碳纖維布為導電骨架，在碳布面對空氣的一側用刷子涂刷具有疏水導氣性的聚四氟乙烯(PTFE)乳液作為空氣擴散層，每涂一層就需在馬弗爐中加熱固化15-20min，約涂刷3-4層；在碳布面對電解質溶液的一側涂刷催化劑(Pt)與高氟化離子交換樹脂(nafion)粘結劑的混合物作為催化層。此方法的存在問題是：1、手動涂刷法會因個人的手法和使用刷子的不同，造成不同制作者做出的空氣擴散層的厚度以及催化劑負載量都會有較大誤差，即使同一人多次制作的空氣陰極可能也存在類似的誤差；2、使用親水性的nafion溶液做催化劑的粘結劑，無法在催化層中形成疏水的氧氣擴散通道，從而影響氧氣在催化層中的擴散；3、涂刷法制作空氣陰極的方法耗時、耗力，導致制作效率低下，不利于大規模的工業生產。如果微生物燃料電池中使用的空氣電極沒有統一、規范的制作方法，對于研究微生物燃料電池的微生物菌群、電極材料、催化劑性能等因素也會造成較大的干擾。而且絕大多數性能穩定的微生物燃料電池目前仍在使用價格高昂的貴金屬作為氧還原催化劑，這是微生物燃料電池大規模工業化應用的又一瓶頸。空氣陰極的制作必須保證擴散進入電池的氧氣能夠在盡可能多的氣、液、固構成的三相界面上順利發生還原反應，同時要保證電極制作技術的簡單化、規范化，最終實現產量化和商品化，這些均是推動空氣陰極微生物燃料電池能夠在新能源利用和環境治理中廣泛應用的必要條件。因此，對于開發一種廉價、高效、規范的微生物燃料電池空氣陰極制作方法是非常必要的。

發明內容

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種廉價、高效、規范的微生物燃料電池空氣陰極及其制備方法。

本發明的技術方案：

一種微生物燃料電池空氣陰極，從空氣側至電解液側由擴散層薄膜、不銹鋼網和活性層薄膜疊加構成。

一種所述微生物燃料電池空氣陰極的制備方法，步驟如下：

1)將粉末狀導電碳黑置于容器中，加入乙醇以將其浸沒為準，在30℃溫度下超聲、攪拌30min，使導電碳黑充分分散和溶解在乙醇中；

2)在超聲、攪拌的條件下，逐滴加入PTFE乳液，并繼續超聲、攪拌30min；

3)將上述容器置于80℃的水浴鍋中，繼續攪拌直至形成有彈性的面團狀物質；

4)取出面團狀物質并于手中捏練均勻，然后置于輥壓機上將其輥壓成厚度為0.3mm的均勻的擴散層薄膜；

5)將不銹鋼網與上述擴散層薄膜疊放在一起放入輥壓機中輥壓，得到厚度為0.35mm的薄片，其中不銹鋼網為空氣陰極的導電骨架；

6)將0.35mm的薄片放入馬弗爐中，在330-340℃溫度下下加熱15-20min，得到空氣陰極的導電擴散層；

7)將超級電容活性炭置于另一容器中，并重復上述步驟1)-3)中與處理導電碳黑相同的操作；

8)取出上述得到的面團狀物質并于手中捏練均勻，然后置于輥壓機上將其輥壓成厚度為0.2mm的活性層薄膜；

9)將活性層薄膜置于不銹鋼網上附有擴散層的另一側，放入輥壓機中輥壓，得到厚度為0.5mm的二次復合薄片；

10)將二次復合薄片再次放入馬弗爐中，在330℃-340℃溫度下下加熱15-20min，活性層中的PTFE固化并形成三維網絡結構，即可制得微生物燃料電池空氣陰極。