[发明专利]碳质管式氧还原阴极微生物燃料电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池,具体涉及碳质管式氧还原阴极微生 物燃料电池及制备方法。

背景技术

微生物燃料电池(MicrobialFuelCells，MFCs)是一种利用微 生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，具有燃料来源广 泛、反应条件温和、生物相容性好、在产生电能的同时进行废水处理 独特优势，成为全球可再生能源研究者关注的热点。然而，尽管在过 去的几十年间，微生物燃料电池的性能得到了极大的提升，但是低功 率密度和高成本依然是限制微生物燃料电池实际运用的两大瓶颈。阴 极作为微生物燃料电池的重要组成部分，其性能特性与电子受体的还 原速率密切相关；因此，阴极就成为了一种很重要的限制因素。同时， 研究发现，采用碳质阴极材料能够在低成本条件下很大程度提升电池 的性能，所以，寻找一种低成本、高性能的阴极材料就具有十分重要 的意义。

微生物燃料电池常用的阴极主要分为化学阴极和空气阴极。化学 阴极主要使用铁氰化钾、过硫酸钾以及次氯酸钾等一系列的化学药品 作为阴极电子受体。空气阴极通过使用空气中的氧气作为最终电子受 体，其来源广泛，产物无污染，结构简单等优点。空气阴极一般由阴 极结构材料和催化剂构成。常用的催化剂主要有以下几种方法：①. 铂金属催化剂。②.过渡金属催化剂。例如：锰，三价铁，钴，银， 钛等等。③.碳质催化剂。例如：活性炭,氮和磷等元素修饰的纤维素 等碳质材料。而常用的阴极材料有：①.碳布/活性碳布。②.碳毡。 ③.碳纸。④.碳纤维，⑤.碳纱等。

由于化学阴极会造成二次污染且成本昂贵，不适于大规模实际运 用。目前主要针对空气阴极进行广泛研究，但是上述这些常用的阴极 材料普遍具有机械性能较差、制作加工工艺复杂的缺点，并且金属阴 极催化剂的成本较高，还可能造成重金属污染。因此，价格低廉、性 能较好的碳质催化剂具有较好实际运用前景，但是目前碳质阴极催化 剂及阴极结构仍需进一步研究和改善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供碳质管式氧还原阴极微生 物燃料电池及制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的第一个技术方案是：碳质管式 氧还原阴极微生物燃料电池制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.阴极材料碳化：将新鲜竹管放置于烘箱之中，在温度80～105 ℃的烘箱内烘烤3～7天，再将已干燥的竹管放置于高温气氛炉，对 高温气氛炉抽真空、填充氮气之后，以1～3℃/分钟的升温速率加热 900～1000℃，在氮气氛围下，氮气流量100～300cm³/min，碳化2～ 3小时，将炉温降至100℃以下取出；再将竹管放置于空气环境下， 330～350℃温度进行2～3小时热处理，然后将热处理过的竹管的内 表面和外表面进行打磨，得到壁厚约为2～3mm，长度一定的竹炭管；

B.阴极制备：将竹炭管用去离子水进行清洗，再烘干；将配制 好的浓度为5～10％的聚四氟乙烯(PTFE)乳液均匀涂刷在竹炭管的 外壁，并在330～370℃条件下加热20～30分钟；然后再在竹炭管内 壁贴装一层孔隙小于1μm的分隔膜；

C.电池组装：在步骤B中制备的阴极外侧缠绕钛丝，阳极沿着 竹炭管轴向方向插入竹炭管内；在竹炭管两端分别装上端板，并用螺 栓固定；在其中一个端板上留有电解液进口，另一个端板上留有电解 液出口，形成碳质管式氧还原阴极微生物燃料电池。

为制备高效率、低成本的碳质氧还原催化剂及阴极结构，本发明 将采用竹管作为前驱体。