[發明專利]纖維素基單室微生物燃料電池空氣陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201710087335.5
• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106898792B
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 吳敏;慈吉良;黃勇;曹春
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234;H01M8/16;H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王文君

本發明提供一種纖維素基單室微生物燃料電池空氣陰極，該空氣陰極的擴散層是由納米纖維素復合在基底上組成，所述納米纖維素是以天然纖維素為原料制得；所述基底的材料為碳布或碳紙。本發明還提供所述單室微生物燃料電池空氣陰極的制備方法。本發明提出的新型纖維素基的單室微生物燃料電池的空氣陰極擴散層，是以天然纖維素為原料，天然纖維素具有來源廣泛、產量高、可再生、環保無污染、成本低等優點。在所述擴散層上復合Pt/C和nafion層，制備方法簡單，不需要高溫燒結，得到的新型纖維素基的單室微生物燃料電池的空氣陰極，經過理論和實際驗證，表明是一種高性能的空氣陰極。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種微生物燃料電池的電極材料的制備方法。

背景技術

隨著工業的發展，環境污染和水污染問題成為制約當代社會發展的兩大難題，促使人們不斷尋找可再生、可持續發展的新型清潔能源。微生物燃料電池(MFC)是一種新型的污水處理技術，借助微生物的作用在實現高效處理廢水的同時，將廢水中的化學能轉化為清潔生物質電能。按外型劃分，微生物燃料電池可分為雙室型和單室型。雙室MFC由兩個電極室組成,一個為厭氧室(陽極室)，另一個為好氧室(陰極室)。在厭氧室，物質(燃料)被微生物氧化生成二氧化碳，電子被外加載體或者介體轉移到陽極、或者直接通過微生物呼吸酶轉移到陽極；陽極室與陰極室在電池內部用質子交換膜連通，外部通過導線構成外電路。在好氧室，電子通過外電路、質子通過質子交換膜分別到達陰極化合形成水。單室MFC省去了陰極室，物質在單室陽極處被微生物氧化，電子由陽極傳遞到外電路然后到達陰極，質子轉移到陰極上，陰極暴露在空氣中，氧氣作為直接的電子受體，與質子反應生成水。

單室微生物燃料電池的空氣陰極是影響其產電性能的一個重要因素，目前國內外制備空氣陰極時普遍利用聚四氟乙烯(PTFE)作為粘合劑和擴散層，但是這種PTFE擴散層成本高，制備工藝復雜，不可降解，給環境帶來污染，這些缺點極大地限制了單室微生物燃料電池的發展和應用。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是針對現有技術所存在的問題，以纖維素為原料制備了新型單室微生物燃料電池空氣陰極擴散層，替代PTFE制備了具有高性能的空氣陰極。

本發明的另一目的是提出含有空氣陰極的單室微生物燃料電池。

(二)技術方案

實現本發明上述目的的技術方案為：

一種纖維素基單室微生物燃料電池空氣陰極，該空氣陰極的擴散層是由納米纖維素復合在基底上組成，所述納米纖維素是以天然纖維素為原料制得；所述基底的材料為碳布或碳紙。

一種單室微生物燃料電池空氣陰極的制備方法，包括步驟：

1)以天然纖維素為原料，制備出納米纖維素懸浮液，

2)將基底材料裁成片，將抽濾裝置搭好，將裁好的基底材料置于濾膜上，

3)將納米纖維素懸浮液用二甲基甲酰胺稀釋5～15倍，倒入濾杯進行抽濾，

4)將二甲基甲酰胺(DMF)抽濾完后，將基底材料從濾膜上揭下；

5)將基底材料下表面的纖維素納米纖維(CNF)薄膜除凈，碳布上表面的CNF薄膜保留完整,得到碳布-纖維素納米纖維(CC-CNF)擴散層。

6)按每平方厘米擴散層用0.1～0.4mg Pt的配比，稱取Pt/C催化劑；

7)向Pt/C催化劑中加入去離子水、Nafion溶液和異丙醇的混合溶劑，并超聲15～40分鐘制備得到催化劑分散液；

8)將步驟7)得到的分散液用刷子均勻涂布在擴散層的沒有纖維素納米纖維(CNF)薄膜的一面，干燥后得到單室微生物燃料電池空氣陰極。