[发明专利]无金属催化剂的空气阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的电极制备，具体地说是一种无金属催化剂的空气阴极及其制备 方法。

背景技术

微生物燃料电池是一种新型的利用微生物催化氧化生物质的产电装置。它可以利用几乎 所有的有机物包括各种废水如生活污水、工业废水和动物废物等为燃料，对废水的处理可实 现回收能量同时净化污水。被认为是极具应用前景的革新技术。

采用空气阴极，开发出有质子交换膜或无膜的单室微生物燃料电池，使电池结构紧凑简 单，尤其是无膜单室电池，由于去掉了昂贵的质子交换膜，电池制造工艺简化，制造成本降 低，且直接利用空气中的氧气，无需曝气，电池运行成本也大大降低，使得微生物燃料电池 的实用化进程向前迈进一大步。如中国专利“从废水处理中回收电能的微生物燃料电池” (CN201134469Y)、“产气肠杆菌在微生物发电方面的应用及其发电方法”(CN101320820A)、 “一种微生物燃料电池堆”(CN101315985A)、“以气体扩散电极为阴极的单室微生物燃料电 池”(CN101207219A)、“单室微滤膜自介体耦合型微生物燃料电池”(CN101237063A)、“折流 板阴极微生物燃料电池”(CN101227008A)、“无膜和无介体的微生物燃料电池”(CN1659734)、 “生物反应器-直接微生物燃料电池及其用”(CN1949577)、“可堆叠式单室微生物燃料电池” (CN101034754AA)、“微生物燃料电池装置和电池及用法以及水处理系统”(CN101118973)、 “微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法”(CN101145620)、“二氧化锰在制备微生物燃料 电池阴极中的应用”(CN101355170)、“一种多级微生物燃料电池装置”(CN201229964)、“一 种管式升流式阴极微生物燃料电池”(CN101431161)。但单室微生物燃料电池大多使用电催 化活性高、化学稳定性好的金属铂作阴极的催化剂，然而金属铂价格昂贵且稀少限制了其广 泛使用。过度金属大环络合物，如酞箐铁(FePC)、四苯基啉(COTMPP)等具有与铂相当的 氧还原活性，但稳定性不高，且制备过程复杂，成本价格仍然较高。其它相对便宜的阴极催 化材料如二氧化锰、铁离子和锰离子也得到了研究，但这些材料不稳定，长时间运行会溶解 到溶液中，需要再生或替换，不但使运行工艺复杂化，而且金属离子溶出造成二次污染。

因此，开发成本低廉、稳定性和催化活性高的阴极，并据此开发制造、运行成本低的单 室微生物燃料电池是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种无金属催化剂的空气阴极及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下解决方案：

提供一种无金属催化剂的空气阴极，包括作为基材的碳布或不锈钢网，所述基材的两面 分别涂覆扩散层和催化层，其中扩散层与空气接触，催化层与电解液接触；

所述扩散层由内至外依次为：1～2层的纳米碳基本层和1～5层的聚四氟乙烯涂层；该 纳米碳基本层是：粒度为20纳米的碳粉与40％wt的聚四氟乙烯乳液按每克碳粉加10～50ml 聚四氟乙烯乳液混合且经加热处理；该聚四氟乙烯涂层是：浓度为60％wt的聚四氟乙烯乳 液且经加热处理；

所述催化层为：活性炭粉、聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合且经加热处理，其中活性炭粉 为通过500目筛子的微粒，聚四氟乙烯乳液浓度为5～15％wt，异丙醇浓度为97％wt，每克 活性炭粉中加入0.5～4ml聚四氟乙烯乳液和5～10ml异丙醇。

本发明中，所述活性炭粉先经加热加压碱液活化处理，处理时温度为80～400℃，压 力为0.1～1MPa，碱液是浓度0.5～5M的KOH，处理时间为15～120分钟。

本发明中，所述纳米碳基本层的载碳量为2～8mg/cm²。

本发明中，所述催化层的载活性炭量为5～20mg/cm²。

本发明还提供了一种制备前述空气电池阴极的方法，包括：

(1)扩散层的处理

纳米碳基本层：将碳粉和聚四氟乙烯乳液混合成膏状，涂覆或压制在碳布或不锈钢网的 表面上，每涂覆或压制一层均需加热处理，加热温度为350～370℃，时间为15～30分钟；

聚四氟乙烯涂层：在纳米碳基本层表面涂覆聚四氟乙烯，每涂覆一层均需加热处理，加 热温度是350～370℃，时间为5～15分钟；