[發明專利]一種微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201310498366.1
• 申請日: 2013-10-22
• 公開（公告）號: CN103490073A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 王旭;黃種買
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

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技術領域??

???本發明涉及一種微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法，屬于燃料電池技術領域。

背景技術

?????微生物燃料電池是一種將生物質轉化為電能的電化學裝置。其燃料來源廣泛、且不需要處理即可利用。以污水為燃料，還可達到同步處理污水的效果。空氣陰極是氧還原反應進行的場所，而氧還原反應是陽極反應釋放電子的受體。空氣陰極以廉價且易得的空氣為原料，電池結構簡單，運行成本低，進而易于推廣使用。空氣陰極的制備方法得到廣泛的研究，如中國專利“從廢水處理中回收電能的微生物燃料電池”(CN201134469Y)、“產氣腸桿菌在微生物發電方面的應用及其發電方法”(CN101320820A)、“一種微生物燃料電池堆”(CN101315985B)、“以氣體擴散電極為陰極的單室微生物燃料電池”(CN100499240C)、“單室微濾膜自介體耦合型微生物燃料電池”(CN101237063A)、“折流板陰極微生物燃料電池”(CN101227008B)、“無膜和無介體的微生物燃料電池”(CN100344025C)、“生物反應器-直接微生物燃料電池及其用”(CN1949577A)、“可堆疊式單室微生物燃料電池”(CN100449845C)、“微生物燃料電池裝置和電池及用法以及水處理系統”(CN101118973A)、“微生物燃料電池及其處理啤酒廢水的方法”(CN100468854C)、“二氧化錳在制備微生物燃料電池陰極中的應用”(CN101355170A)、“一種多級微生物燃料電池裝置”(CN201229964Y)、“一種管式升流式陰極微生物燃料電池”(CN101431161B)、“一種微生物燃料電池空氣陰極及其制備方法”(CN102655235A)。目前的空氣陰極制備方法基本是依賴于用刷子涂刷,?輥壓和噴涂等方法制備不同功能的電極層（即擴散層和催化層）。其主要問題有如下幾個方面：

1.?所有微生物空氣陰極都是催化層直接面對污水，如果空氣陰極不能抗微生物污染，即使初始性能優良的空氣陰極其性能也會很快下降。

2.?電極長時間在溶液中浸泡，催化層剝離問題，尤其在實際工程應用中，陽極室內的污水量較大且在流入和流出時都會有一定的水力沖擊催化層，使催化層中的材料快速脫落導致性能下降。

因此，開發一種抗微生物污染，并保護催化層完整性的高性能空氣陰極是解決微生物燃料電池瓶頸問題的關鍵。

發明內容??

本發明所要解決的技術問題是提供一種抗微生物污染，并保護催化層完整性的空氣陰極及其制備方法。

目的是針對上述存在問題，克服現有技術的不足，提供一種由靜電紡絲技術制備成的多孔納米纖維結構制備保護層，來提高微生物燃料電池的性能穩定性。

為實現上述目標，本發明的技術方案如下：

本發明提供的單室微生物燃料電池空氣陰極，由保護層，催化層和擴散層組合而成，所述保護層覆蓋于催化層表面，為惰性高分子材料或具有離子傳導能力的高分子材料由靜電紡絲技術制備成的具有微孔結構薄層，多孔結構薄層的孔隙尺寸為200nm～10000nm，孔隙率為80%以上，纖維直徑為100nm～1500nm，保護層厚度為1μm～50μm。

作為一種優選，所述保護層為惰性高分子材料或具有離子傳導能力的高分子材料與抗菌材料復合后由靜電紡絲技術制備成的微孔結構。

本發明提供的微生物燃料電池空氣陰極的制備方法，具體步驟如下：

1)???首先將碳布擴散層置于靜電紡絲裝置的聚四氟乙烯接收板上，接收板與噴頭距離為15cm；

2)???將氧還原催化劑與催化劑粘合劑混合超聲，制成催化劑墨水，將墨水輸入靜電紡絲裝置的針筒內，控制針頭的移動軌跡在電極范圍內進行紡絲，施加直流電壓15kV，催化劑墨水的供給速率為2mL/h；達到目標催化劑擔量即停止，烘干；

3)???將制備的帶有催化層的碳布置于靜電紡絲裝置的聚四氟乙烯接收板上，將惰性高分子材料或具有離子傳導能力的高分子材料溶于有機溶劑制成質量分數為8.0wt%溶液為保護層墨水，輸入靜電紡絲裝置的針筒內，通過控制針頭的移動軌跡在電極范圍內進行紡絲，施加電壓為25kV，保護層墨水的供給速率為2mL/h；達到目標擔量即停止，烘干。

作為一種優選，所述的保護層墨水中還含有1~10wt%的抗菌材料(占高分子聚合物比例)。所述的抗菌材料包括納米銀顆粒，溶菌酶或電氣石。

上述方案中，所述的惰性高分子材料即為不傳導任何離子的具有高化學和生物穩定性的有機高分子，例如尼龍，聚砜類。