一種微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法
【專利摘要】一種微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法，本發(fā)明涉及一種單室空氣陰極微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法，它要解決現(xiàn)有微生物燃料電池中空氣陰極的造價較高，制作工藝復(fù)雜的問題。本發(fā)明空氣陰極由液體催化劑、防水透氣膜和不銹鋼網(wǎng)組成，液體催化劑涂抹于防水透氣膜上，不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)。制備方法：一、將催化劑、異丙醇、Nafion和去離子水混合制備液體催化劑；二、液體催化劑涂抹于防水透氣膜上；三、將不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)。本發(fā)明的微生物燃料電池的空氣陰極制造成本低廉，制作工藝簡易，耗費時間少，利于空氣陰極的擴(kuò)大化生產(chǎn)。
【專利說明】一種微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單室空氣陰極微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 能源危機(jī)和環(huán)境污染的不斷加劇迫使人們尋找一種可再生、可持續(xù)的新型清潔能 源；另一方面，傳統(tǒng)好氧廢水處理技術(shù)能耗大、不經(jīng)濟(jì)，催促人們尋找一種能夠合理實現(xiàn)廢 水處理和資源化的替代技術(shù)。微生物燃料電池是一種可以借助微生物的作用實現(xiàn)高效廢 水處理，同時實現(xiàn)廢水中化學(xué)能向清潔生物質(zhì)電能轉(zhuǎn)化的新型廢水處理技術(shù)，但同時也是 一種挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的新技術(shù)，當(dāng)前的技術(shù)瓶頸問題主要在于如何進(jìn)一步降低陰極造價和 如何合理的實現(xiàn)反應(yīng)器擴(kuò)大化，這兩點是該技術(shù)在未來能否成功實現(xiàn)工業(yè)化和商業(yè)化的關(guān) 鍵。
[0003] 微生物燃料電池技術(shù)從誕生以來不斷發(fā)展，直到現(xiàn)在逐漸形成了一種認(rèn)同，單室 空氣陰極微生物燃料電池造價較低、結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)器啟動與運行以及擴(kuò)大化相對容易，較 其它類型反應(yīng)器更為合理和實用。這種反應(yīng)器的造價主要集中在陰、陽電極和相關(guān)材料上， 近年來隨著研究的深入，像碳網(wǎng)、碳?xì)?、不銹鋼網(wǎng)等廉價材料有逐步取代傳統(tǒng)電極材料碳布 的趨勢，另外諸如活性碳粉、四甲氧基苯基卟啉鈷、二氧化錳等廉價催化劑也被證明可以代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的昂貴金屬催化劑鉬，使得目前微生物燃料電池的造價已經(jīng)大幅度降低，但對于結(jié) 構(gòu)相對復(fù)雜的陰極來說，其造價還有進(jìn)一步降低的空間，有待繼續(xù)探究。另一方面，作為一 項新興污水處理技術(shù)，反應(yīng)器的擴(kuò)大化是其實現(xiàn)實際應(yīng)用前必須突破的技術(shù)瓶頸，就目前 傳統(tǒng)的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)而言，陰極結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，制作耗時、費力，成為了反應(yīng)器擴(kuò)大化的限制 性因素，因此圍繞陰極結(jié)構(gòu)和制作的簡化研究也具有實際意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有微生物燃料電池中空氣陰極的造價較高，制作工藝 復(fù)雜的問題，而提供一種微生物燃料電池的空氣陰極及其制備方法。
[0005] 本發(fā)明微生物燃料電池的空氣陰極由液體催化劑、防水透氣膜和不銹鋼網(wǎng)組成， 液體催化劑涂抹于防水透氣膜上，不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)， 其中液體催化劑由催化劑、異丙醇、Nafion和去離子水混合制成，所述的催化劑為鉬質(zhì)量含 量為10%?20%的鉬碳催化劑、碳粉、四甲氧基苯基卟啉鈷或二氧化錳。
[0006] 本發(fā)明微生物燃料電池的空氣陰極的制備方法按下列步驟實現(xiàn)：
[0007] -、將催化劑、異丙醇、Nafion和去離子水混合，震蕩攪拌成粘稠狀，得到液體催化 劑；
[0008] 二、將步驟一得到的液體催化劑涂抹于防水透氣膜面向微生物燃料電池內(nèi)盛放反 應(yīng)液的一側(cè)，得到負(fù)載有催化劑的防水透氣膜；
[0009] 三、將不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)，得到微生物燃料電 池的空氣陰極；
[0010] 其中步驟一中所述的催化劑為鉬質(zhì)量含量為10%?20%的鉬碳催化劑、碳粉、四 甲氧基苯基R卜琳鉆或-氧化猛。
[0011] 本發(fā)明空氣陰極中的基本功能性結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)支撐材料、空氣擴(kuò)散層（防水）和催 化劑三部分組成。不銹鋼網(wǎng)是一種廉價、可靠的陰極基礎(chǔ)材料，在大幅度降低陰極造價的同 時還可以保障陰極具有堅固的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而保障陰極擴(kuò)大化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此選作陰極基 礎(chǔ)支撐材料；建筑用屋頂/墻體防水透氣膜價格極低，具有輕、薄、防水、透氣、抗紫外線、抗 撕裂、抗拉伸、抗低溫等多重優(yōu)點，完全可以達(dá)到空氣陰極中空氣擴(kuò)散層的功能要求，代替 復(fù)雜的、價格相對較高的、圍繞聚四氟乙烯（PTFE)及碳粉的傳統(tǒng)陰極涂層，因此選作空氣 擴(kuò)散層材料；而催化劑可以有多種選擇。
[0012] 將本發(fā)明的空氣陰極應(yīng)用到微生物燃料電池中，在進(jìn)水C0D濃度為1344±50mg/ L的情況下，出水COD濃度能夠控制在57±25mg/L以下，COD去除率高達(dá)95. 8±1.9%， 比使用傳統(tǒng)陰極材料制作的微生物燃料電池的94. 7±0.9 % (以碳布為基礎(chǔ)材料）和 93. 8±0. 9% (以不銹鋼網(wǎng)為基礎(chǔ)材料）略高。運行時可以達(dá)到的平穩(wěn)電壓輸出可達(dá)495? 510mV(1000Q外電阻下），功率密度可達(dá)24. 7W/m3。不計催化劑的貢獻(xiàn)，此種微生物燃料電 池的空氣陰極可將陰極造價從傳統(tǒng)陰極制作的價格235?1220美元/m 2降低到16美元/ m2左右，下降了約93. 3?98. 8%，在陰極制作耗費的時間方面可從5?8h降低至0. 5h左 右，降低了約90. 0?93. 8%，造價降低的同時，陰極制作工藝也變得更為簡易，從而更利于 空氣陰極的擴(kuò)大化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為應(yīng)用實施例一組裝得到的微生物燃料電池反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，1 一反應(yīng) 器外殼，2-空氣陰極，3-碳刷陽極，4一鈦金屬絲，5-進(jìn)水口，6-導(dǎo)線，7-電阻，8-出水 □。

【具體實施方式】
[0014]

【具體實施方式】一：本實施方式微生物燃料電池的空氣陰極由液體催化劑、防水透 氣膜和不銹鋼網(wǎng)組成，液體催化劑涂抹于防水透氣膜上，不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載 有液體催化劑的一側(cè)，其中液體催化劑由催化劑、異丙醇、Nafion和去離子水混合制成，所述 的催化劑為鉬質(zhì)量含量為10%?20%的鉬碳催化劑、碳粉、四甲氧基苯基卟啉鈷或二氧化 猛。
[0015] 本實施方式所述的微生物燃料電池的空氣陰極相對于傳統(tǒng)的空氣陰極的制備成 本低，現(xiàn)有的空氣陰極一般包括碳黑/聚四氟乙烯層（1層），聚四氟乙烯空氣擴(kuò)散層（3? 4層）和催化劑層，而本實施方式的空氣陰極的基礎(chǔ)材料選用廉價的不銹鋼網(wǎng)，無碳黑/聚 四氟乙烯層，空氣擴(kuò)散層采用價格約為1美元/m 2左右的防水透氣膜，因而大大降低了空氣 陰極的造價。
[0016]

【具體實施方式】二：本實施方式與【具體實施方式】一不同的是防水透氣膜的厚度為 0. 05 ?0. 15mm。

【具體實施方式】 [0017] 三：本實施方式與一或二不同的是防水透氣膜的水蒸 氣透過量為1000?2500gAm 2 · 24h)，不透水性為1500?3000mm。

【具體實施方式】 [0018] 四：本實施方式與一至三之一不同的是不銹鋼網(wǎng)的目 數(shù)為40?400目。

【具體實施方式】 [0019] 五：本實施方式微生物燃料電池的空氣陰極的制備方法按下列步驟 實現(xiàn)：
[0020] 一、將催化劑、異丙醇、Nafion和去離子水混合，震蕩攪拌成粘稠狀，得到液體催化 劑；
[0021] 二、將步驟一得到的液體催化劑涂抹于防水透氣膜面向微生物燃料電池內(nèi)盛放反 應(yīng)液的一側(cè)，得到負(fù)載有催化劑的防水透氣膜；
[0022] 三、將不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)，得到微生物燃料電 池的空氣陰極；
[0023] 其中步驟一中所述的催化劑為鉬質(zhì)量含量為10%?20%的鉬碳催化劑、碳粉、四 甲氧基苯基R卜琳鉆或-氧化猛。
[0024] 本實施方式空氣陰極的制備方法采用不銹鋼網(wǎng)與防水透氣膜結(jié)合的方式制作，結(jié) 構(gòu)簡單，便于維護(hù)，不銹鋼網(wǎng)作為陰極結(jié)構(gòu)支撐，機(jī)械強(qiáng)度高。相對于現(xiàn)有的熱壓法簡化了 制備步驟，適宜擴(kuò)大化生產(chǎn)。

【具體實施方式】 [0025] 六：本實施方式與五不同的是步驟一將7?15mg鉬質(zhì) 量含量為20%的鉬碳催化劑、25?50uL異丙醇、50?100uL Nafion和6. 25?12. 5uL去離 子水混合，震蕩攪拌成粘稠狀。其它步驟及參數(shù)與五相同。

【具體實施方式】 [0026] 七：本實施方式與五或六不同的是步驟三中為40目 的不銹鋼網(wǎng)。其它步驟及參數(shù)與五或六相同。
[0027] 實施例一：本實施例微生物燃料電池的空氣陰極的制備方法按下列步驟實現(xiàn)：
[0028] 一、將15mg鉬質(zhì)量含量為20%的鉬碳催化劑、50uL異丙醇、100uL Nafion和12. 5uL 去離子水混合，震蕩攪拌成粘稠狀，得到液體催化劑；
[0029] 二、將步驟一得到的液體催化劑涂抹于防水透氣膜面向微生物燃料電池內(nèi)盛放反 應(yīng)液的一側(cè)，得到負(fù)載有催化劑的防水透氣膜；
[0030] 三、將不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)，得到微生物燃料電 池的空氣陰極。
[0031] 本實施例步驟二中的防水透氣膜選用寧波山泉建材有限公司出產(chǎn)的M100型普利 華膜（BREAWARF)，即建筑用屋頂/墻體防水透氣膜，作為空氣擴(kuò)散層，該空氣擴(kuò)散層的低溫 柔性范圍在_40°C左右。步驟三中的不銹鋼網(wǎng)選用型號SUS304的40目不銹鋼網(wǎng)。
[0032] 將本實施例得到的空氣陰極應(yīng)用到如圖1所示的微生物燃料電池的反應(yīng)器中，選 取碳纖維作為微生物附著和生長環(huán)境，取等長度的碳纖維，橫向均勻分布在一根金屬鈦絲 上，以鈦絲為中心兩側(cè)碳纖維長度相等，然后取另一根鈦金屬絲與第一根鈦絲重疊，即用兩 根鈦絲將碳纖維夾緊，固定鈦絲一端，從另一側(cè)扭轉(zhuǎn)鈦絲，使鈦絲在扭轉(zhuǎn)過程中形成盤旋 狀的碳纖維束，從而形成長徑比為1:1的圓柱形碳刷陽極，把碳刷陽極固定到有效容積為 28mL的立方體反應(yīng)器中，鈦絲端伸出反應(yīng)器，露于反應(yīng)器外側(cè)。取實施例一得到的空氣陰 極置于反應(yīng)器另一側(cè)，有鉬碳催化劑和不銹鋼網(wǎng)一側(cè)面對反應(yīng)器內(nèi)側(cè)，用導(dǎo)線將碳刷陽極、 1000 Ω電阻和空氣陰極連接，完成微生物燃料電池反應(yīng)器的組裝。
[0033] 對比實施例：傳統(tǒng)以碳布為基礎(chǔ)材料的空氣陰極的制備方法按下列步驟實現(xiàn)：
[0034] 一、取碳布一片，將碳粉與濃度為20%的聚四氟乙烯濁液（PTFE)混合，震蕩混勻 后涂抹于碳布一側(cè)，室溫干燥l〇min后在370°C的馬弗爐內(nèi)加熱處理20min，室溫冷卻得到 初始碳布；
[0035] 二、繼續(xù)在初始陰極上涂抹濃度為60%的PTFE，室溫冷卻lOmin后，于370°C馬弗 爐內(nèi)進(jìn)行加熱處理20min，反復(fù)涂抹、加熱的過程三次，得到負(fù)載有PTFE層的碳布；
[0036] 三、將15mg鉬質(zhì)量含量為20%的鉬碳催化劑、50uL異丙醇、100uL Nafion和12. 5uL 去離子水混合，震蕩攪拌成粘稠狀，得到液體催化劑，將液體催化劑涂抹于碳布無 PTFE層 的一側(cè)，得到基于碳布的空氣陰極。
[0037] 將此對比實施例步驟一中所述的碳布替換為不銹鋼網(wǎng)，則得到基于不銹鋼網(wǎng)的空 氣陰極。
[0038] 本實施例在進(jìn)水C0D濃度為1344±50mg/L的情況下，出水C0D濃度可在 57±25mg/L以下，C0D去除率高達(dá)95. 8±1.9%，比傳統(tǒng)陰極制作下的微生物燃料電池的 94. 7±0· 9% (以碳布為基礎(chǔ)材料）和93. 8±0· 9% (以不銹鋼網(wǎng)為基礎(chǔ)材料）略高。運 行時可以達(dá)到的平穩(wěn)電壓輸出可達(dá)495?510mV (1000 Ω外電阻下），功率密度可達(dá)24. 7W/ m3。同時此種空氣陰極造價低廉，制作耗費時間短。
【權(quán)利要求】
1. 一種微生物燃料電池的空氣陰極，其特征在于該微生物燃料電池的空氣陰極由液體 催化劑、防水透氣膜和不銹鋼網(wǎng)組成，液體催化劑涂抹于防水透氣膜上，不銹鋼網(wǎng)疊放到防 水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)，其中液體催化劑由催化劑、異丙醇、Nafion和去離子水 混合制成，所述的催化劑為鉬質(zhì)量含量為10%?20%的鉬碳催化劑、碳粉、四甲氧基苯基 卟啉鈷或二氧化錳。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池的空氣陰極，其特征在于防水透氣膜的 厚度為〇· 05?0· 15mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池的空氣陰極，其特征在于防水透氣膜的 水蒸氣透過量為1000?2500gAm2 · 24h)，不透水性為1500?3000mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物燃料電池的空氣陰極，其特征在于不銹鋼網(wǎng)的目 數(shù)為40?400目。
5. 微生物燃料電池的空氣陰極的制備方法，其特征在于是按下列步驟實現(xiàn)： 一、 將催化劑、異丙醇、Nafion和去離子水混合，震蕩攪拌成粘稠狀，得到液體催化劑； 二、 將步驟一得到的液體催化劑涂抹于防水透氣膜面向微生物燃料電池內(nèi)盛放反應(yīng)液 的一側(cè)，得到負(fù)載有催化劑的防水透氣膜； 三、 將不銹鋼網(wǎng)疊放到防水透氣膜負(fù)載有液體催化劑的一側(cè)，得到微生物燃料電池的 空氣陰極； 其中步驟一中所述的催化劑為鉬質(zhì)量含量為10%?20%的鉬碳催化劑、碳粉、四甲氧 基苯基卟啉鈷或二氧化錳。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微生物燃料電池的空氣陰極的制備方法，其特征在于步驟 一將7?15mg鉬質(zhì)量含量為20%的鉬碳催化劑、25?50uL異丙醇、50?100uL Nafion和 6. 25?12. 5uL去離子水混合，震蕩攪拌成粘稠狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微生物燃料電池的空氣陰極的制備方法，其特征在于步驟三 中為40目的不銹鋼網(wǎng)。
【文檔編號】H01M4/86GK104091955SQ201410342317
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】邢德峰, 唐宇, 莊匯川, 王睿文, 謝冰涵 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)