[发明专利]一种改性生物质活性炭纤维笼空气阴极及装配的微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种改性生物质活性炭纤维笼空气阴极及装配的微生物燃料电池。

背景技术

目前，现有的能源利用方式主要存在效率不高、不可再生、环境污染严重等问题。且当前主要使用的矿物燃料，无论是石油还是煤矿，在燃烧后都会产生大量污染空气的温室气体；同时它们还面临着储量严重短缺的问题，且在开采和利用环节上效率低、污染重。所以，发展清洁能源一直为人们所关注。

正在兴起的微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)研发为可再生能源生产和废弃物处理提供了一条新途径。微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。典型的MFC装置由阴极区和阳极区组成，两区域之间由质子交换膜分隔。其工作原理是：在阳极区表面，水溶液或污泥中的有机物(如葡萄糖、醋酸、多糖和其他可降解的有机物等)在阳极微生物等作用下，产生CO₂、质子和电子；电子通过中间体或细胞膜传递给电子，并通过外电路到达阴极，质子通过溶液迁移到阴极后与O₂发生反应产生水，从而使得整个过程达到物质和电荷的平衡，并且外部用电器也获得了电能。经由外电路传输的电子到达阴极后，与氧化态物质(即电子受体，如O2等)以及阳极迁移来的质子在阴极表面发生还原反应。电子受体在电极上的还原速率是决定电池输出功率的重要因素，因此阴极材料的选择是影响MFC产电效率的关键。

阴极材料通常采用碳布、石墨或碳纸为基本材料，但是直接使用效果不佳，可通过负载高活性催化剂得到改善。目前研究的MFC大多使用铂为催化剂，载铂电极更易结合氧，催化其与电极反应。Oh等人研究发现，单独使用石墨作电极的MFC输出电能仅仅为表面镀铂石墨电极的22％。Cheng等人研究了电极载铂量对电池性能的影响，发现当铂由2mg/cm²减少至0.1mg/cm²时，性能略有降低。该研究有利于减少铂的用量，从而降低MFC的成本。目前，MFC的阴极电子受体主要分为液相阴极和空气阴极两种，最常用的电子受体为O₂，又分为水中溶解氧和气态氧两种。液相阴极MFC反应在溶液中进行，传质合反应阻力小，所以这种形式的电池通常可以得到较高的功率输出，但其最大缺点是需要不断地向阴极补充电解液，而且阴极产物可能带来二次污染，因此不适合实际工程应用；空气阴极MFC是利用空气中的O₂作为电子受体，但氧气分子在阴极表面发生的三相还原反应速率很慢，需要使用贵金属铂作催化剂来降低反应的过电位损失，这大大增加了燃料电池的造价。另外，金属离子可能会造成阴极的催化剂中毒，导致系统运行失败。因此进一步探索并优化微生物燃料电池阴极结构具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的目的是突破传统阴极材料的限制，提供一种改性生物质活性炭纤维笼空气阴极及装配的微生物燃料电池，以柱状生物质活性炭纤维笼为阴极，并通过在其表面刷涂功能层进行改性，可显着提高微生物燃料电池的输出电压和产电量并保持较高的机械强度，且涉及的制备方法简单、成本低，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种改性生物质活性炭纤维笼空气阴极，它由柱状活性炭纤维笼表面涂覆碳基层、扩散层和催化层而成，具体制备步骤如下：

1)碳基层的制备，将炭黑加入聚四氟乙烯溶液I中搅拌均匀得混合液I，将其沿柱状活性炭纤维笼的轴线方向均匀刷涂于柱状活性炭纤维笼的上表面，干燥后加热至350-400℃保温20-30min，得碳基层(厚度为0.1-0.2mm)；

2)在所得碳基层表面刷涂聚四氟乙烯溶液II，干燥后加热至350-400℃保温10-15min，室温条件下冷却得扩散层(厚度为0.1-0.2mm)；

3)依次重复步骤1)和步骤2)3～5遍；

4)将Pt/C催化剂、水、Nafion溶液和异丙醇混合均匀得混合液II，将其沿柱状活性炭纤维笼的轴线方向均匀刷涂于柱状活性炭纤维笼的下表面，然后室温静置晾干得催化层(厚度为0.2-0.4mm)，即得所述改性生物质活性炭纤维笼空气阴极。

上述方案中，所述聚四氟乙烯溶液I的质量浓度为35-45％；聚四氟乙烯溶液II的质量浓度为55-65％。

上述方案中，所述柱状活性炭纤维笼上表面制备的碳基层、扩散层与下表面涂覆的催化层不直接接触。

上述方案中，步骤1)中所述碳黑的质量与聚四氟乙烯溶液I的体积比为1:(10-15)g:ml。