[发明专利]铁离子循环电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁离子循环电极及其制备方法。

背景技术

微生物燃料电池阴极的主要功能是在催化剂的作用下将电子传递给电子受体完成还原半反应，即O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O。阴极和阴极室导致的电压损失主要集中在活化损失和传质损失两部分，其中活化损失与催化剂有关，传质损失与质子传递和电子受体种类有关。阴极通常采用碳布或碳纸为基材，将催化剂喷涂或采用丝网印刷技术附着在阴极上，催化剂可以降低阴极反应的活化能，加快反应速度，降低电化学活化电阻，目前，微生物燃料电池的阴极主要采用碳载铂为催化剂。质子是参与阴极反应的反应物之一，其传递速度的快慢直接影响到阴极反应，降低阴极内的传质阻力可以减少电压损失，例如用Nafion代替聚四氟乙烯(PTFE)做阴极催化剂的粘合剂减小了质子在阴极内的传质阻力，降低了电池内阻，提高了电池性能。电子受体的种类也是影响阴极反应的重要因素之一，目前最常用的电子受体为O₂，分为气态氧和水中溶解氧两种，但是溶解氧在水中溶解度小且扩散速度慢，为了提高溶氧量，在电池工作时还需要借助相应的泵鼓入，消耗了大量的电能。

正是基于金属铂比较昂贵且氧的溶解度小的问题，现在出现了利用铁离子循环电极的微生物燃料电池，这种电池利用暴露在空气中的铁离子循环电极作为电池阴极。如图1所示，从外电路传递来的电子(图1中用e表示)和从阳极室传递来的质子(图1中用H⁺表示)到达阴极电极板，Fe³⁺作为电子受体被还原为Fe²⁺，由于阴极电极板是暴露在空气中，Fe²⁺之后又被氧气氧化为Fe³⁺，而电子则最终传递给氧与质子生成水。这样，在阴极电极板上形成了一个铁离子的循环，加速了电子的传递速率，降低了由传质引起的阻力。例如，DooHyun Park和J.Gregory Zeiku公开了一种铁离子循环电池，这种铁离子循环电池由3重量％的硫酸铁、60重量％的细石墨粉、36重量％的高岭土(颗粒小于400目)和1重量％的氯化镍组成，制备方法为：将2重量份的含有上述组分的混合物和1重量份的蒸馏水搅拌均匀，然后放入模具中，在1.0kg/cm²的压力下制成20×20×1cm的薄板，将所述薄板在室温下干燥48小时，并在通入N₂气的厌氧环境下1100℃煅烧12小时(Doo Hyun Park，J.Gregory Zeiku.Improved fuel cell and electrode designs for producing electricity from microbialdegradation.Biotechnology and Bioengineering，2003，81(3)：348-355)。然而将上述铁离子循环电极作为微生物燃料电池的阴极时，电池的输出功率密度较低。

发明内容

本发明的目的是为了克服以现有的铁离子循环电极作为阴极的微生物燃料电池的的输出功率密度较低的缺陷，提供一种能够使微生物燃料电池具有较高输出功率密度的铁离子循环电极及其制备方法。

本发明提供的铁离子循环电极含有含有硫酸铁、石墨粉、高岭土和氯化镍，该电极为多孔结构。

本发明提供的制备所述铁离子循环电极的方法包括：将石墨粉、硫酸铁、高岭土、氯化镍和造孔剂混合后球磨，然后将球磨后的混合物在10-30kgf/cm²的压强下压制成型；然后在保护气氛中1000-1200℃下煅烧8-15小时。

相对于现有的铁离子循环电极，利用本发明提供的(尤其是本发明提供的方法制备的)铁离子循环电极作为微生物燃料电池的阴极，显著提高了微生物燃料电池的输出功率密度。

附图说明

图1为铁离子循环电极的工作原理示意图；

图2是本发明的一种制备铁离子循环电极的方法流程图；

图3是本发明提供的一种微生物燃料电池的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种铁离子循环电极，该电极含有硫酸铁、石墨粉、高岭土和氯化镍，该电极为多孔结构，孔隙的总体积可以为所述电极总体积的10-15％。

其中，所述孔隙的平均孔直径可以为50-100微米。

其中，以100重量份的石墨粉为基准，硫酸铁的含量可以为3-8重量份，高岭土的含量可以为50-70重量份，氯化镍的含量可以为1-3重量份。