[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

本发明提供一种微生物燃料电池空气阴极及其制备方法，本发明通过使用金属包覆碳材料，既可以提高电极碳基层的导电性，还能利用金属间的协同效应，从而减少贵金属催化剂的使用量，降低制备成本。碳基层的制备中采用去离子水作为碳基层中碳粉的溶剂，而非传统的有机溶剂，减少了有机溶剂的使用，使得制备成本较低，具有大规模工业制备的潜力；催化层的制备中采用无水乙醇作为催化剂的溶剂，避免了使用对人体有较大毒害作用的传统有机溶剂，减小了对操作人员身体的毒害。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池技术领域，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(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是一种以特殊微生物为催化剂，可直接将水样中可降解有机物中的化学能转化为电能的装置。它可以用于废水处理，实现能量回收同时净化污水的能源和环境的双重效应。是一种新型的极具应用前景的绿色环保技术。

在微生物燃料电池中，电子受体在阴极电极附近接收由阳极微生物氧化有机物释放的自由电子后发生还原反应。鉴于空气中氧气的易获取性、清洁性和较高的反应过电势等优点，在众多微生物燃料电池体系中，氧气已经成为使用最为广泛的电子受体。对于使用氧气作为电子受体的空气阴极微生物燃料电池来说，阴极制备性能的好坏将极大地影响微生物燃料电池的性能。微生物燃料电池空气阴极主要包括：催化层、碳基层、阴极载体、空气扩散层等几部分，其中，催化层上负载有催化剂，面向质子交换膜一侧，主要用于催化质子与氧气的反应；碳基层则主要用来增强阴极的导电性；阴极载体通常采用碳系材料(如碳布、碳纸等)、金属材料(如不锈钢网等)，作为空气阴极的支撑结构；空气扩散层则面向空气一侧，主要用于防止阴极液的流出，并且，将空气中的氧气传导至催化层界面上发生氧还原反应。

传统空气阴极在制备过程中，其催化层中的催化剂一般使用昂贵的铂碳催化剂，催化剂用量的多寡决定了制备成本的高低，因此在实际应用过程中如何在不影响微生物燃料电池性能的前提下，尽可能降低催化剂的使用量也是极为关键的一点。碳基层一般采用导电碳黑(如XC-72导电碳黑)作为填充剂，以提高基体的导电性，但在实际制备过程中，单纯的碳黑其提高导电性的效果是有限的，如何进一步提高碳基层的导电性，决定了是否能够进一步提高微生物燃料电池的性能。另外，传统空气阴极在制备方法方面，无论是阴极扩散层的制备还是阴极催化层的制备，均需要使用具有较大毒性的有机溶剂，如异丙醇等，这类有机溶剂的使用既增加了制备的成本，又对操作人员的身体有较大的毒害作用；其次，传统制备方法需要使用到较多专业的大型设备，对于普通的实验室来说实施起来略为困难；最后，传统制备手段工艺流程较为复杂，对制备人员的操作技巧有较高的要求，对于普通研究人员来说，难以快速上手掌握。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种微生物燃料电池空气阴极及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种微生物燃料电池空气阴极的制备方法，包括以下步骤：

(1)在支撑层基体的一侧滴加PTFE乳液形成阴极的扩散层；

(2)将聚四氟乙烯乳液与去离子水混合，超声20～30min，然后搅拌2～5h，得到混合物A；然后向混合物A中加入十六烷基三甲基溴化铵，超声10～15min后，再继续搅拌2～3h，得到混合物B；然后向混合物B中再加入金属包覆碳粉，搅拌12～24h，得到分散均匀的浆料C；采用刮涂法将所述浆料C均匀涂覆到阴极支撑层的另一侧，使金属包覆碳粉的碳载量为1～3mg/cm²，红外干燥、加热干燥后得到空气阴极碳基层；

(3)将Pt/C催化剂加入去离子水中，超声10～15min，得到混合物D；然后向混合物D中加入无水乙醇、5wt％的Nafion溶液，搅拌8～10h，制得浆料E；采用涂布法将浆料D均匀涂覆到步骤(2)制得的空气阴极碳基层的一侧，使Pt/C催化剂的Pt的担载量为0.3～2mg/cm²，红外干燥、真空加热干燥，即可；