[发明专利]电极材料和空气阴极微生物燃料电池的阴极材料及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池技术领域。

背景技术

随着全球能源需求的急速增长，世界能源生产和环境承载力已不堪重负。环境污染和气候变化等问题变得日益严峻，而居高不下的能源价格有加重了世界经济发展的负荷。因此寻求可再生的新能源成为了当今世界关注的热点问题之一。

微生物燃料电池是可以实现能量转换和产能的新的概念和装置。微生物燃料电池的原理是以微生物为催化剂，直接将生物质能转化为电能，因其具有清洁、高效、集污水处理和能量回收为一体等诸多优点，从而受到了世界各国的广泛关注。

但由于微生物燃料电池高昂的成本造价和较低的功率密度输出束缚了微生物燃料电池的进一步发展。因此，微生物燃料电池技术的主要挑战之一是提高功率输出和降低成本。目前，现有的微生物燃料电池材料成本过高，空气阴极微生物燃料电池常用的碳布阴极材料成本约为$1000/m²。空气阴极需要由扩散层、催化层、粘结剂制备而成，因此每一部分的费用都将影响微生物燃料电池的成本。目前常用的是贵金属催化剂($700-1000/m²)，贵金属催化剂的应用增加了电极的成本。粘结剂的使用也增加了电极的制作成本。扩散层的制备由于需要涂布PTFE和碳粉，并在高温下进行烧制，复杂的制备过程增加了电极的制作成本和制作工序。综上所述，现有技术制备的电极材料和微生物燃料电池材料成本高、工艺复杂。

发明内容

本发明是要解决现有技术制备的电极材料和微生物燃料电池材料成本高、工艺复杂的问题，而提供电极材料和空气阴极微生物燃料电池的阴极材料及其制作方法。

一种电极材料由表面层和内部层两部分组成，表面层覆盖在内部层的两侧；所述表面层是表面镀有镍层、铜层、镍铜合金层或碳层的电极布；其中电极布为碳纤维布、无纺布、防水布、碳布或聚酯纤维布；所述内部层是由电极海绵和电极海绵表面的导电镀层制成；其中电极海绵为碳海绵或聚氨酯海绵，电极海绵表面的导电镀层由内向外依次为镍层或碳层、铜层和镍层或碳层。

一种电极材料的制备方法是按以下步骤制备的：一、将电极布用丙酮浸泡，再用蒸馏水将电极布上的丙酮清洗去除，干燥后在电极布上电镀一层镍层、铜层、镍铜合金层或碳层，即为表面层；二、首先在电极海绵上电镀一层镍层或碳层，然后在镍层或碳层上电镀一层铜层，最后在铜层上再电镀一层镍层或碳层，即得到内部层；三、将表面层和内部层采用热压的方式进行连接，表面层覆盖在内部层的两侧，即得到电极材料；步骤一所述电极布为碳纤维布、无纺布、防水布、碳布或聚酯纤维布；步骤二所述电极海绵为碳海绵或聚氨酯海绵。

一种空气阴极微生物燃料电池的阴极材料由电极材料、质量分数为5％的萘酚溶液、质量分数为99.98％的异丙醇溶液和Pt/碳粉催化剂制备而成；其中萘酚溶液与异丙醇溶液的体积比为(1.5～2.5)∶1，Pt/碳粉催化剂与异丙醇溶液的质量比为(4.5～22)∶1；所述的Pt/碳粉催化剂中Pt的质量分数为10％。

一种空气阴极微生物燃料电池的阴极材料的制备方法，是按以下步骤完成的：一、制备粘结剂溶液：将质量分数为5％的萘酚溶液和质量分数为99.98％的异丙醇溶液倒入容器中，并将两者混合均匀，即制备成粘结剂溶液；二、加入催化剂：将Pt/碳粉催化剂加入到粘结剂溶液中，且使Pt/碳粉催化剂与粘结剂溶液混合均匀，形成含有催化剂的粘结剂溶液；三、黏贴催化层：将步骤二中制备的含有催化剂的粘结剂溶液均匀的黏贴在步骤一制备的电极材料的一个侧表面层上，然后放置在室温环境下，干燥12～24h，即完成空气阴极微生物燃料电池的阴极材料的制作；步骤一中所述的萘酚溶液与异丙醇溶液的体积比为(1.5～2.5)∶1；步骤二中所述加入的Pt/碳粉催化剂与异丙醇溶液的质量比为(4.5～22)∶1，其中Pt/碳粉催化剂中Pt的质量分数为10％。

本发明取得有益效果：一、本发明制备的电极材料的成本低，且采用本发明制备的电极材料制备的空气阴极微生物燃料电池阴极材料的总成本造价下降59％～61％；二、本发明制备的空气阴极微生物燃料电池用阴极材料可以应用于空气阴极微生物燃料电池中，实现废水处理，并能回收废水处理过程中产生的能量，通过检测废水中的COD去除率可达72％～78％，能量回收率CE为18％～20％，最大的输出功率密度为0.68W/m²，与传统的碳布阴极作为空气阴极的微生物燃料电池差别极小。

附图说明