[发明专利]一种微生物燃料电池空气阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池空气阴极的制作方法，具体涉及一种微生物燃料电池空气阴极及其制备方法。

背景技术

微生物燃料电池是一种能将生物质能转化为电能的装置，具有底物适应性强、操作条件温和、无需输入能量即可实现电能生产、环境友好、可靠性高、可持续利用等优点，特别是在使用污水做燃料时还可达到处理污水的效果。以廉价、易得的氧气作为电子受体的空气扩散电极，已广泛的应用在商品化的燃料电池和金属空气电池中，如美国ALUPOWER公司和Evionyx公司生产的碱性金属-空气电池。空气阴极在微生物燃料电池中虽然是研究最多的一种阴极形式，但目前仅限于各个实验小组自制自用，还没有商品化的产品可以在工业中大规模生产和应用。微生物燃料电池里常用的空气阴极的制作方法是由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，以碳布或碳纤维布为导电骨架，在碳布面对空气的一侧用刷子涂刷具有疏水导气性的聚四氟乙烯(PTFE)乳液作为空气扩散层，每涂一层就需在马弗炉中加热固化15-20min，约涂刷3-4层；在碳布面对电解质溶液的一侧涂刷催化剂(Pt)与高氟化离子交换树脂(nafion)粘结剂的混合物作为催化层。此方法的存在问题是：1、手动涂刷法会因个人的手法和使用刷子的不同，造成不同制作者做出的空气扩散层的厚度以及催化剂负载量都会有较大误差，即使同一人多次制作的空气阴极可能也存在类似的误差；2、使用亲水性的nafion溶液做催化剂的粘结剂，无法在催化层中形成疏水的氧气扩散通道，从而影响氧气在催化层中的扩散；3、涂刷法制作空气阴极的方法耗时、耗力，导致制作效率低下，不利于大规模的工业生产。如果微生物燃料电池中使用的空气电极没有统一、规范的制作方法，对于研究微生物燃料电池的微生物菌群、电极材料、催化剂性能等因素也会造成较大的干扰。而且绝大多数性能稳定的微生物燃料电池目前仍在使用价格高昂的贵金属作为氧还原催化剂，这是微生物燃料电池大规模工业化应用的又一瓶颈。空气阴极的制作必须保证扩散进入电池的氧气能够在尽可能多的气、液、固构成的三相界面上顺利发生还原反应，同时要保证电极制作技术的简单化、规范化，最终实现产量化和商品化，这些均是推动空气阴极微生物燃料电池能够在新能源利用和环境治理中广泛应用的必要条件。因此，对于开发一种廉价、高效、规范的微生物燃料电池空气阴极制作方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种廉价、高效、规范的微生物燃料电池空气阴极及其制备方法。

本发明的技术方案：

一种微生物燃料电池空气阴极，从空气侧至电解液侧由扩散层薄膜、不锈钢网和活性层薄膜叠加构成。

一种所述微生物燃料电池空气阴极的制备方法，步骤如下：

1)将粉末状导电碳黑置于容器中，加入乙醇以将其浸没为准，在30℃温度下超声、搅拌30min，使导电碳黑充分分散和溶解在乙醇中；

2)在超声、搅拌的条件下，逐滴加入PTFE乳液，并继续超声、搅拌30min；

3)将上述容器置于80℃的水浴锅中，继续搅拌直至形成有弹性的面团状物质；

4)取出面团状物质并于手中捏练均匀，然后置于辊压机上将其辊压成厚度为0.3mm的均匀的扩散层薄膜；

5)将不锈钢网与上述扩散层薄膜叠放在一起放入辊压机中辊压，得到厚度为0.35mm的薄片，其中不锈钢网为空气阴极的导电骨架；

6)将0.35mm的薄片放入马弗炉中，在330-340℃温度下下加热15-20min，得到空气阴极的导电扩散层；

7)将超级电容活性炭置于另一容器中，并重复上述步骤1)-3)中与处理导电碳黑相同的操作；

8)取出上述得到的面团状物质并于手中捏练均匀，然后置于辊压机上将其辊压成厚度为0.2mm的活性层薄膜；

9)将活性层薄膜置于不锈钢网上附有扩散层的另一侧，放入辊压机中辊压，得到厚度为0.5mm的二次复合薄片；

10)将二次复合薄片再次放入马弗炉中，在330℃-340℃温度下下加热15-20min，活性层中的PTFE固化并形成三维网络结构，即可制得微生物燃料电池空气阴极。