[發明專利]氧還原催化劑元件、其生產方法及其用途

在審

• 申請號: 201680018556.0
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN107771364A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: R·I·謝克特爾;亞伊爾·海姆·維杰斯鮑姆;L·埃謝德
• 申請（專利權）人: 埃墨伏希有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/16
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司11262
• 代理人: 卓曉曦,鄭霞

技術領域

本公開內容屬于催化劑的領域，所述催化劑用于電化學反應、特別是在微生物燃料電池中使用的電化學反應。

背景技術

以下列出被認為作為背景與本公開的主題相關的參考文獻：

-B.E.Logan等人“Single-Step Fabrication Using A Phase Inversion Method Of Polyvinylidene Fluoride(PVDF)Activated Carbon Air Cathodes For Microbial Fuel Cells”Environmental Science Technology Letters 1:416-420(2014)。

本文中對以上參考文獻的承認不應被推斷為意味著以任何方式與本公開的主題的可專利性有關。

背景

在微生物燃料電池(MFC)中，電是作為生電細菌(electrogenic bacteria)的代謝的一部分由生電細菌產生的，其主要與有機物質的氧化相關。MFC可以使用廢水作為燃料或者有機材料在水中的稀釋液，有時被概括成生物可降解的電子供體。

MFC具有厭氧陽極室和陰極室。厭氧陽極室通常經由使電路完整的外部電線(external wire)連接至陰極室。

另外，當使用空氣陰極時，需要催化劑來促進MFC空氣陰極中的高的氧還原反應活性。用于氧還原的鉑催化劑由于其成本而不適合于大規模應用。

活性炭(AC)是另一種可用的催化劑，并且其制造需要使用相容的粘合劑。常規的燃料電池使用離子聚合物或離子交換材料作為粘合劑或作為粘合劑的一部分。此類聚合物具有實現催化活性所需的離子導電性性質。是廣泛地用于對此主題的許多研究的可商購的離子聚合物實例。然而，離子交換材料是相當昂貴的，并且由于其親水性特征趨向于由于在水性條件中例如在MFC中溶脹而劣化。

B.E.Logan等人描述了使用相反轉工藝(phase inversion process)、使用聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合劑和活性炭催化劑制造MFC陰極。具體地，陰極制造是通過將AC/PVDF/炭黑(CB)混合物涂抹到不銹鋼篩網上，隨后浸沒在水中(用于相反轉)來完成的。

一般描述

本公開內容旨在提供陰極，所述陰極是基于離子交換的陰極的替換物。

通常，本公開內容是基于多孔催化劑體系的開發和利用，所述多孔催化劑體系允許在電解質溶液例如廢水中的電解質與導體之間的高水平接觸，致使多孔催化劑和導體的組合適用于小規模細菌燃料電池和大規模的細菌燃料電池兩者。

更具體地并且根據本公開內容的方面的第一方面，本公開內容提供氧還原催化劑元件(oxygen reduction catalyst element)，所述氧還原催化劑元件包括帶有多孔層的水不可滲透、氣體可滲透的膜，所述水不可滲透、氣體可滲透的膜被涂覆在氧還原催化劑元件的至少一部分上例如氧還原催化劑元件的一個面上，所述多孔層包含非離子聚合物和至少一種氧還原催化顆粒材料的混合物。

本公開內容還提供生產氧還原催化劑元件的方法，所述方法包括：

a.將非離子聚合物與至少一種氧還原催化顆粒材料混合以形成混合物；

b.使所述混合物溶解在包含至少一種有機溶劑的溶劑體系中以形成墨汁；

c.將所述墨汁應用到水不可滲透、氣體可滲透的膜上以形成墨汁涂覆的膜；

d.將墨汁涂覆的膜浸沒到液體載體中持續足以允許所述墨汁沉積凝結到所述膜上的時間；

e.除去所述水。

氧還原催化劑元件可以具有多種應用。例如，氧還原催化劑元件可以被用作陰極的一部分。

因此，根據本公開內容的方面的第三方面，本公開內容提供陰極，所述陰極包括(a)導體；和(b)氧還原催化劑元件，所述氧還原催化劑元件被疊置在導體的至少一部分上并且包括涂覆有多孔層的水不可滲透、氣體可滲透的膜，所述多孔層包含非離子聚合物和至少一種氧還原催化顆粒材料的混合物。

陰極可以具有若干應用。根據本公開內容的又另一個方面，陰極被用作微生物燃料電池的一部分，所述微生物燃料電池包括：

(i)至少一個陰極，所述至少一個陰極包括：

a.導體，所述導體被布置成跨過電路中的負載電耦合；和

b.氧還原催化劑元件，所述氧還原催化劑元件被疊置在導體的至少一部分上并且包括涂覆有多孔層的水不可滲透、氣體可滲透的膜，所述多孔層包含非離子聚合物和至少一種氧還原催化顆粒材料的混合物；