[发明专利]一种微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法

说明书

 

技术领域  

   本发明涉及一种微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

     微生物燃料电池是一种将生物质转化为电能的电化学装置。其燃料来源广泛、且不需要处理即可利用。以污水为燃料，还可达到同步处理污水的效果。空气阴极是氧还原反应进行的场所，而氧还原反应是阳极反应释放电子的受体。空气阴极以廉价且易得的空气为原料，电池结构简单，运行成本低，进而易于推广使用。空气阴极的制备方法得到广泛的研究，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”(CN101315985B)、“以气体扩散电极为阴极的单室微生物燃料电池”(CN100499240C)、“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”(CN101227008B)、“无膜和无介体的微生物燃料电池”(CN100344025C)、“生物反应器-直接微生物燃料电池及其用”(CN1949577A)、“可堆叠式单室微生物燃料电池”(CN100449845C)、“微生物燃料电池装置和电池及用法以及水处理系统”(CN101118973A)、“微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法”(CN100468854C)、“二氧化锰在制备微生物燃料电池阴极中的应用”(CN101355170A)、“一种多级微生物燃料电池装置”(CN201229964Y)、“一种管式升流式阴极微生物燃料电池”(CN101431161B)、“一种微生物燃料电池空气阴极及其制备方法”(CN102655235A)。目前的空气阴极制备方法基本是依赖于用刷子涂刷, 辊压和喷涂等方法制备不同功能的电极层（即扩散层和催化层）。其主要问题有如下几个方面：

1. 所有微生物空气阴极都是催化层直接面对污水，如果空气阴极不能抗微生物污染，即使初始性能优良的空气阴极其性能也会很快下降。

2. 电极长时间在溶液中浸泡，催化层剥离问题，尤其在实际工程应用中，阳极室内的污水量较大且在流入和流出时都会有一定的水力冲击催化层，使催化层中的材料快速脱落导致性能下降。

因此，开发一种抗微生物污染，并保护催化层完整性的高性能空气阴极是解决微生物燃料电池瓶颈问题的关键。

发明内容  

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗微生物污染，并保护催化层完整性的空气阴极及其制备方法。

目的是针对上述存在问题，克服现有技术的不足，提供一种由静电纺丝技术制备成的多孔纳米纤维结构制备保护层，来提高微生物燃料电池的性能稳定性。

为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

本发明提供的单室微生物燃料电池空气阴极，由保护层，催化层和扩散层组合而成，所述保护层覆盖于催化层表面，为惰性高分子材料或具有离子传导能力的高分子材料由静电纺丝技术制备成的具有微孔结构薄层，多孔结构薄层的孔隙尺寸为200nm～10000nm，孔隙率为80%以上，纤维直径为100nm～1500nm，保护层厚度为1μm～50μm。

作为一种优选，所述保护层为惰性高分子材料或具有离子传导能力的高分子材料与抗菌材料复合后由静电纺丝技术制备成的微孔结构。

本发明提供的微生物燃料电池空气阴极的制备方法，具体步骤如下：

1)   首先将碳布扩散层置于静电纺丝装置的聚四氟乙烯接收板上，接收板与喷头距离为15cm；

2)   将氧还原催化剂与催化剂粘合剂混合超声，制成催化剂墨水，将墨水输入静电纺丝装置的针筒内，控制针头的移动轨迹在电极范围内进行纺丝，施加直流电压15kV，催化剂墨水的供给速率为2mL/h；达到目标催化剂担量即停止，烘干；

3)   将制备的带有催化层的碳布置于静电纺丝装置的聚四氟乙烯接收板上，将惰性高分子材料或具有离子传导能力的高分子材料溶于有机溶剂制成质量分数为8.0wt%溶液为保护层墨水，输入静电纺丝装置的针筒内，通过控制针头的移动轨迹在电极范围内进行纺丝，施加电压为25kV，保护层墨水的供给速率为2mL/h；达到目标担量即停止，烘干。

作为一种优选，所述的保护层墨水中还含有1~10wt%的抗菌材料(占高分子聚合物比例)。所述的抗菌材料包括纳米银颗粒，溶菌酶或电气石。

上述方案中，所述的惰性高分子材料即为不传导任何离子的具有高化学和生物稳定性的有机高分子，例如尼龙，聚砜类。