[发明专利]一种微生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及生物燃料电池的制造领域，尤其涉及到一种采用碳化钼钴作为阳极催化剂的微生物燃料电池。

背景技术

随着社会的发展，微生物燃料电池作为新型的产能及能源供给方式已备受瞩目，它是将储存在有机污染物物中的化学能直接转化为电能的装置。

目前，通常采用碳毡、碳布或碳纸作为微生物燃料电池阴极的基体材料，但直接使用这些物质时阴极的氧气氧化还原的极化电势太高，效果不佳，为了增加阴极性能，通常在电极表面负载高性能催化剂，高性能的催化剂可降低阴极反应的极化电势，从而加快反应速率。Pt金属是常用到的阴极催化剂，可以很好的催化氧气参与电极反应，同时可以减少氧气向阳极的扩散，降低氧气对于阴极微生物的影响，然而 Pt金属却极其昂贵，还是限制了其在实际中的应用。

现在也有使用过渡金属化合物如CoTMPP、FeCoTMPP、CoPc、二氧化锰、碳化钼、碳化钨或硫酸铁等来替代Pt金属材料以降低成产成本，然而这些物质却普遍存在电池不稳定、生产工艺复杂或催化性能不够好等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种催化性能高、成本低、工艺简单、稳定性好的微生物燃料电池。

为了解决现有技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种微生物燃料电池，包括阳极、阳极液、阴极和外电路，所述阳极和阴极通过外电路相连接，所述阴极以碳化钼钴/石墨烯复合材料作为阴极催化剂。

所述阴极包括催化剂层及防水层，其中催化剂层由碳化钼钴/石墨烯复合材料混合质量百分比为5wt%的nafion溶液涂覆于碳纸上制备得到。

所述阴极的制备方法如下：

（1）量取5mL浓度为60%的PTFE溶液于烧杯中，加入55mL蒸馏水混合均匀，将PTFE溶液均匀涂覆于碳纸表面，在室温下晾5~10min，然后在370℃的马弗炉中加热5~10min，再重复在碳纸表面涂覆3~5次，得到防水层；

（2）将碳化钼钴和石墨烯按摩尔比为1：（0.8~1.2）的比例进行混合，研磨充分后加入质量百分比为5wt%的nafion溶液和无水乙醇，超声20~40min，然后均匀涂覆于碳纸上，室温下干燥20~25h，得到阴极。

所述阳极液的制备方法如下：取10.0g碳酸氢钠、11.2g磷酸的氢二钠、10.0g无水葡萄糖和5g酵母浸膏的混合物溶在烧杯中，再加入0.8707g2-羟基-1，4-萘醌，搅拌均匀后在1000mL定容瓶中定容，得到阳极液。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明碳化钼钴/石墨烯复合材料中Co与Mo₂C形成的共生共存体系能均匀地负载在薄膜片状的石墨烯上，能使氧气在电极表面进行直接四电子还原，从而获得较高的功率密度。本发明微生物燃料电池的最大输出功率可达4.2W/m³，是商业化Pt/C电极的68%，但其生产成本却降低了50%，容易批量生产，且生产成本低廉，同时所得电池的稳定性好、制造工艺简单、催化性能高，是一种具有广泛应用前景的微生物燃料电池。

附图说明

图1是本发明实施例中石墨烯的SEM图；

图2是本发明实施例中碳化钼钴XRD图；

图3是本发明实施例中不同的材料在饱和氧气中的循环伏安图；

图4是本发明实施例中含有6mg/cm²石墨烯/碳化钼钴复合阴极催化剂的微生物燃料电池功率曲线和极化曲线；

图5是对比例1中含有0.5mg/cm²Pt/C阴极催化剂的微生物燃料电池功率曲线和极化曲线。

具体实施方式

本发明揭示了一种催化性能高、成本低、工艺简单、稳定性好的微生物燃料电池，该电池包括阳极、阳极液、阴极和外电路，所述阳极和阴极通过外电路相连接，所述阴极以碳化钼钴/石墨烯复合材料作为阴极催化剂。

所述阴极包括催化剂层及防水层，其中催化剂层由碳化钼钴/石墨烯复合材料混合质量百分比为5wt%的nafion溶液涂覆于碳纸上制备得到。

所述阴极的制备方法如下：

（1）量取5mL浓度为60%的PTFE溶液于烧杯中，加入55mL蒸馏水混合均匀，将PTFE溶液均匀涂覆于碳纸表面，在室温下晾5~10min，然后在370℃的马弗炉中加热5~10min，再重复在碳纸表面涂覆3~5次，得到防水层；