[发明专利]易于规模化制备的微生物燃料电池空气阴极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的电极制备，具体地说是一种用于微生物燃料电池的易于规模化制备的无金属催化剂空气阴极及其制备方法。

背景技术

微生物燃料电池利用微生物催化氧化有机物而产电的装置。它可以应用于对废水的处理，实现回收能量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革新技术。

尽管微生物燃料电池可设计成双室和单室反应器结构，但单室空气阴极式电池结构更具有应用前景。因为单室空气阴极式电池去掉了昂贵的质子交换膜，使电池制造工艺简化，制造成本降低，而且采用空气阴极，直接利用空气中的氧气，无需曝气，电池运行成本也大大降低。单室空气阴极式电池其结构相对紧凑简单，因而易于扩大化生产，因而得到了广泛的开发和研究，如中国专利“从废水处理中回收电能的微生物燃料电池”(CN201134469Y)、“产气肠杆菌在微生物发电方面的应用及其发电方法”(CN101320820A)、“一种微生物燃料电池堆”(CN101315985A)、“以气体扩散电极为阴极的单室微生物燃料电池”(CN101207219A)、“单室微滤膜自介体耦合型微生物燃料电池”(CN101237063A)、“折流板阴极微生物燃料电池”(CN101227008A)、“无膜和无介体的微生物燃料电池”(CN1659734)、“生物反应器-直接微生物燃料电池及其用”(CN1949577)、“可堆叠式单室微生物燃料电池”(CN101034754A)、“微生物燃料电池装置和电池及用法以及水处理系统”(CN101118973)、“微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法”(CN101145620)、“二氧化锰在制备微生物燃料电池阴极中的应用”(CN101355170)、“一种多级微生物燃料电池装置”(CN201229964)、“一种管式升流式阴极微生物燃料电池”(CN101431161)。

影响单室微生物燃料电池的性能和实际应用的关键是阴极的制造技术和性能，尤其是扩大化并应用于对废水处理时，废水处理量大且成分复杂要求阴极制造必须成本低、工艺简单、性能稳定。而阴极的这些性能主要取决于阴极催化剂和集电体材料。目前，单室微生物燃料电池大多使用电催化活性高、化学稳定性好的金属铂作阴极的催化剂，然而金属铂价格昂贵且稀少限制了其广泛使用。过度金属大环络合物，如酞箐铁(FePC)、四苯基啉(COTMPP)等具有与铂相当的氧还原活性，但稳定性不高，且制备过程复杂，成本价格仍然较高。其它相对便宜的阴极催化材料如二氧化锰、铁离子和锰离子也得到了研究，但这些材料不稳定，长时间运行会溶解到溶液中，需要再生或替换，不但使运行工艺复杂化，而且金属离子溶出造成二次污染。近期研究发现高比表面的活性碳适合作为微生物燃料电池阴极催化剂，可获得高的阴极性能和低得成本。如中国专利(中国专利CN200910153235.3)，但制造阴极的集电体仍采用价格高的碳布或不锈钢网，碳布价格为约7000元/平方米，而不锈钢网(304)价格为350元/平方米。阴极集电体材料的成本成为阴极制造成本的主要来源。另一方面，碳布和不锈钢大致是二维结构，这给电极制造带来不便，一方面催化剂涂载量少，可能带来性能的稳定性差。另一方面，催化剂层的导电性低，影响电极性能。

因此，开发成本低廉、稳定性好的集电体材料是单室微生物燃料电池扩大化亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种三维结构的集电体材料，并将其用于制造微生物燃料电池空气阴极，达到提高微生物燃料电池性能和稳定性，进一步降低成本。

为达到上述目的，本发明提供了如下解决方案：

提供一种易于规模化制备的微生物燃料电池空气阴极，其集电体材料为三维结构的多孔材料泡沫镍片材，所述的泡沫镍的两面分别涂覆扩散层和催化层；

所述扩散层由里层的混合碳基本层与外层的聚四氟乙烯层组成，混合碳基本层中包含按重量比3∶1混合的纳米活性炭和导电碳，以及作为粘附剂的30％wt的聚四氟乙烯，混合碳基本层的载碳量为10～18mg/cm²，聚四氟乙烯乳液的加入比例为10毫升/每克混合碳粉；

所述催化层中包含微米活性碳、导电碳、异丙醇(纯度97％，购买状态)和作为粘附剂的30％wt的聚四氟乙烯，催化层中的微米活性碳载量为20～30mg/cm²，导电碳载量为7.5～10.5mg/cm²；在催化层的混合物中，97％异丙醇的加入量为3.6毫升/每克混合碳粉，聚四氟乙烯乳液的加入量为1毫升/每克混合碳粉。