[发明专利]一种无膜空气微生物燃料电池阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，具体是一种无膜空气微生物燃料电池阴极及其制备方法。

背景技术

微生物燃料电池通过使用具有产电活性的细菌为催化体直接将储存在生物质中的化学能转化为电能。与传统的燃料电池相比，微生物燃料电池不受卡诺热机循环的限制，具有能量转化效率高、零污染等特点，而且还拥有新的特点，如广泛的燃料来源和反应条件温和。同时，微生物燃料电池在污水处理方面具有巨大的潜力，将污染物作为燃料供微生物燃料电池中的细菌代谢并获得电能。不仅节省了污水处理的操作费用，而且从中还能得到电能。

    空气阴极微生物燃料电池，将阴极直接暴露在空气中代替曝气，减少了通气及设备，可降低运行费用；结构简单、去除了昂贵的萘酚117质子交换膜，降低了电池制作成本，有利于实际应用；空气为电子受体，产物为水，无二次污染。这些都为微生物燃料电池的产业化应用打下了坚实的基础。

单室空气阴极微生物燃料电池阴极大多使用以铂为代表的贵金属为催化剂，这类催化剂具有电化学活性高，产电性能高等特点，但是，其昂贵的价格限制了单室空气阴极微生物燃料电池的实际应用。而普通的催化剂如炭黑，碳纳米管等，电池的产电性能又不高。另一方面，传统的单室空气阴极微生物燃料电池扩散层采用聚四氟乙烯（PTFE）或聚二甲基硅氧烷（PDMS），这类物质价格比较昂贵，操作也比较复杂，这大大增加了电池制作成本和工艺的复杂性。

因此，开发一种高效，低成本的催化剂以及使用简单的扩散层材料，并由此制得廉价，高性能的微生物燃料电池是其产业化应用的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无膜空气微生物燃料电池阴极及其制备方法，本发明通过微生物的代谢，将储存在生物质中的化学能转化为电能，具有很高的产电性能。

本发明实现目的所采用的技术方案包括：

一种无膜空气微生物燃料电池阴极的制备方法，包括如下步骤： 

（1）将导电炭黑与阴极的扩散层材料，按质量比为3:10～13混合，均匀涂在作为阴极材料载体的不锈钢网的一面上，干燥半小时；

（2）将电池阴极催化剂与质量百分比为5%的萘酚溶液，按每1 mg催化剂对应于2～8 uL的萘酚溶液的比例混合，并超声30分钟；

（3）将上述超声后的混合物均匀涂在不锈钢网的另一面上，干燥1小时；

（4）将橡胶裁剪成与电池盒阴极压板一样大小的垫圈，将该橡胶垫圈与阴极压板固定，即可制得所需无膜空气微生物燃料电池阴极。

所述不锈钢网目数为50～200目，使用前用质量百分比为95%以上的无水乙醇超声30分钟。

所述阴极的扩散层材料为聚甲基苯甲基硅烷。

所述电池阴极催化剂为碳纳米管负载的二氧化锰，其合成方法包括如下步骤：将摩尔浓度为0.045～0.1 mol/L的高锰酸钾溶液与5～15 um长的碳纳米管，按100 mL高锰酸钾溶液比400～700 mg碳纳米管的比例混合，并调节混合溶液的pH值为1.0～2.0，控制温度60～90℃，加热5～8小时，再减压过滤，洗涤，再将洗涤后的滤饼在100～120℃温度下烘干。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明催化材料合成简单，条件容易实现，而且价格低廉，大大降低了电池的制造成本。

（2）本发明的阴极扩散层材料采用采用廉价的聚甲基苯甲基硅烷，而且其使用方法简单，大大降低了制作电池工艺的复杂性，阴极采用催化层与扩散层分别涂于不锈钢网两面，防水效果优越，减少了阳极溶液的损失，有利于电池的长期运行。

（3）阴极扩散层直接与空气接触，氧气通过扩散层直接与催化层接触反应，减少通气及设备，降低了电池的运行成本。

（4）利用本发明制备的新型阴极具有结构简单，制备简单快捷，成本低，易于实现产业化的特点，能够用于制备高性能低成本的微生物燃料电池，有效地在处理废水过程中获得较为可观的电能。

附图说明

图1为本发明电池阴极的结构示意图；

图2为本发明电池阴极在电池中的位置及整个电池的结构示意图；图中标号：a为不锈钢网、b为扩散层、c为催化层；1为电池阳极壳体、2为阳极碳毡、3为电池支座、4为螺纹螺母、5为橡胶垫圈、6为阴极压板、7为阳极导线（钛丝）、8为硅胶塞、9为阳极加液孔；

图3为本发明实施例1的输出功率密度曲线；

图4为本发明实施例2的输出功率密度曲线；