[发明专利]一种单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单室微生物燃料电池活性炭‑薄膜空气阴极及其制备方法，属于微生物电化学的技术领域。本发明针对单室微生物燃料电池空气阴极造价高、工艺复杂的问题。所述活性炭‑薄膜空气阴极中的基本结构包括活性炭催化层、不锈钢网电子集流体和热塑型聚氨酯薄膜空气扩散层三部分，采用辊压的工艺压制而成，制备步骤是：将活性碳粉与无水乙醇混合，加入聚四氟乙烯乳液压制成催化层；将催化层与不锈钢网压制结合；再将热塑型聚氨酯薄膜压制于不锈钢网的一侧，制得活性炭‑薄膜空气阴极。本发明具有低廉的价格和简易的加工方法，综合性能优秀，更利于空气阴极的放大化和规模化生产。

技术领域

本发明属于微生物电化学的技术领域；具体涉及单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极及其制备方法。

背景技术

目前，人类社会面临着严峻的能源挑战和环境问题。微生物电化学技术的出现，为同时解决能源和环境污染提供了一种新的思路，它能将污水中的化学能转化为可以供生产使用的电能，在净化环境的同时也提供了一种绿色能源。微生物燃料电池作为该技术的重要部分，是一种能够发电的生物反应器。在微生物的作用下，有机物的电子定向移动并与指定的电子受体所结合，在这个过程中，有机物中的化学能就转化为了电能。然而，微生物燃料电池技术自身依旧存在着一些瓶颈，降低系统的成本和如何将其扩大运行是急需解决的问题。高昂的造价和复杂的加工方法正是这些问题在阴极上的体现。如何以低廉的价格获取可以扩大化生产而且功能良好的阴极，对于微生物燃料电池在未来的发展应用来说具有非常重要的意义。

单室空气阴极微生物燃料电池具有良好的产电效果和简单的构型，成为普遍认可的最具有发展前景的一种微生物燃料电池的形式。空气阴极在朝着简化结构、降低造价、简化制作工艺、规格化的方向发展。研究者们不断尝试以网状活性炭、不锈钢网、镍网等材料作为阴极基础，以MnO₂、聚吡咯/碳黑混合物、四甲氧基苯基卟啉钴、活性炭粉、钛基氧化铅、生物催化剂等作为阴极催化剂。各种材料价格不同，其在微生物燃料电池中的表现也大相径庭。虽然在阴极方面进行了不断地改进，但依旧存在一些缺陷，比如材料机械强度不大，阴极面积难以放大，制作流程繁琐，还有价格仍然难以在大规模应用中被接受等。因此，要实现微生物燃料电池的工业化、规模化应用，必须更进一步地改造空气阴极。

发明内容

本发明目的是针对单室微生物燃料电池空气阴极造价高、工艺复杂的问题，提供一种简单有效的空气阴极及其制作方法。

为解决上述问题，本发明的单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极由催化层、不锈钢网和热塑型聚氨酯薄膜构成的一体结构，所述催化层和热塑型聚氨酯薄膜之间设置不锈钢网，所述催化层是由粉末状电容活性碳和聚四氟乙烯乳液制成的。

本发明中单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极的制备方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将粉末状电容活性碳与无水乙醇混合后超声搅拌，超声搅拌期间缓慢加入聚四氟乙烯乳液；

步骤二、然后置于水浴中超声搅拌，待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团，然后用辊压机不断辊压直至压制成薄片，制得催化层；

步骤三、将步骤一制得的催化层与不锈钢网一并放入辊压机，压制三至四次；

步骤四、然后将热塑型聚氨酯薄膜平铺于不锈钢网上，将辊压机辊筒升温，一次辊压，即制得活性炭-薄膜空气阴极。

经过步骤二的处理后不锈钢网部分压入催化层，与催化层紧密结合。

进一步地限定，上述聚四氟乙烯乳液固含量为40％～80％。

进一步地限定，上述电容活性碳粉与聚四氟乙烯乳液质量比为(4～6):1。

进一步地限定，上述热塑型聚氨酯薄膜水蒸气透过量为1000～2000g/(m²·24h)，且不透水性为1500～2500mm。