[發明專利]碳質管式氧還原陰極微生物燃料電池及制備方法

在審

• 申請號: 201510925280.1
• 申請日: 2015-12-11
• 公開（公告）號: CN105375049A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 李俊;楊偉;付乾;張亮;葉丁丁;朱恂;廖強
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭云

技術領域

本發明涉及微生物燃料電池,具體涉及碳質管式氧還原陰極微生 物燃料電池及制備方法。

背景技術

微生物燃料電池(MicrobialFuelCells，MFCs)是一種利用微 生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置，具有燃料來源廣 泛、反應條件溫和、生物相容性好、在產生電能的同時進行廢水處理 獨特優勢，成為全球可再生能源研究者關注的熱點。然而，盡管在過 去的幾十年間，微生物燃料電池的性能得到了極大的提升，但是低功 率密度和高成本依然是限制微生物燃料電池實際運用的兩大瓶頸。陰 極作為微生物燃料電池的重要組成部分，其性能特性與電子受體的還 原速率密切相關；因此，陰極就成為了一種很重要的限制因素。同時， 研究發現，采用碳質陰極材料能夠在低成本條件下很大程度提升電池 的性能，所以，尋找一種低成本、高性能的陰極材料就具有十分重要 的意義。

微生物燃料電池常用的陰極主要分為化學陰極和空氣陰極。化學 陰極主要使用鐵氰化鉀、過硫酸鉀以及次氯酸鉀等一系列的化學藥品 作為陰極電子受體。空氣陰極通過使用空氣中的氧氣作為最終電子受 體，其來源廣泛，產物無污染，結構簡單等優點。空氣陰極一般由陰 極結構材料和催化劑構成。常用的催化劑主要有以下幾種方法：①. 鉑金屬催化劑。②.過渡金屬催化劑。例如：錳，三價鐵，鈷，銀， 鈦等等。③.碳質催化劑。例如：活性炭,氮和磷等元素修飾的纖維素 等碳質材料。而常用的陰極材料有：①.碳布/活性碳布。②.碳氈。 ③.碳紙。④.碳纖維，⑤.碳紗等。

由于化學陰極會造成二次污染且成本昂貴，不適于大規模實際運 用。目前主要針對空氣陰極進行廣泛研究，但是上述這些常用的陰極 材料普遍具有機械性能較差、制作加工工藝復雜的缺點，并且金屬陰 極催化劑的成本較高，還可能造成重金屬污染。因此，價格低廉、性 能較好的碳質催化劑具有較好實際運用前景，但是目前碳質陰極催化 劑及陰極結構仍需進一步研究和改善。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供碳質管式氧還原陰極微生 物燃料電池及制備方法。

為了解決上述技術問題，本發明的第一個技術方案是：碳質管式 氧還原陰極微生物燃料電池制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

A.陰極材料碳化：將新鮮竹管放置于烘箱之中，在溫度80～105 ℃的烘箱內烘烤3～7天，再將已干燥的竹管放置于高溫氣氛爐，對 高溫氣氛爐抽真空、填充氮氣之后，以1～3℃/分鐘的升溫速率加熱 900～1000℃，在氮氣氛圍下，氮氣流量100～300cm³/min，碳化2～ 3小時，將爐溫降至100℃以下取出；再將竹管放置于空氣環境下， 330～350℃溫度進行2～3小時熱處理，然后將熱處理過的竹管的內 表面和外表面進行打磨，得到壁厚約為2～3mm，長度一定的竹炭管；

B.陰極制備：將竹炭管用去離子水進行清洗，再烘干；將配制 好的濃度為5～10％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液均勻涂刷在竹炭管的 外壁，并在330～370℃條件下加熱20～30分鐘；然后再在竹炭管內 壁貼裝一層孔隙小于1μm的分隔膜；

C.電池組裝：在步驟B中制備的陰極外側纏繞鈦絲，陽極沿著 竹炭管軸向方向插入竹炭管內；在竹炭管兩端分別裝上端板，并用螺 栓固定；在其中一個端板上留有電解液進口，另一個端板上留有電解 液出口，形成碳質管式氧還原陰極微生物燃料電池。

為制備高效率、低成本的碳質氧還原催化劑及陰極結構，本發明 將采用竹管作為前驅體。