空气阴极、空气阴极制备方法和微生物燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境、材料、能源领域，具体地，本发明涉及空气阴极、制备空气阴极的 方法、微生物燃料电池以及微生物燃料电池在处理水性介质中的用途。
【背景技术】
[0002] 环境问题与能源问题是当代社会发展面临的两大难题，净化污水的同时兼顾能源 回收是污水处理技术面对的新挑战。微生物燃料电池是一种新兴的污水处理技术，能够在 处理污水的同时将污染物中的化学能转化为电能，利用附着在阳极的产电微生物将污水中 的有机物氧化，同时阴极接受电子完成氧还原反应。在微生物燃料电池的阴极中，空气阴极 由于能够实现空气中氧气的直接扩散、传质，并节省了大量的曝气能耗而受到了广泛关注。
[0003] 然而，目前用于微生物燃料电池的空气阴极以及微生物燃料电池的催化效率以及 电池性能仍有待提高。
【发明内容】
[0004] 本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
[0005] 目前的空气阴极中，普遍存在制备过程复杂的问题，通常需要将电极材料进行多 次揉压或涂刷等操作以便使其成型。并且由于制备过程复杂，在制备催化剂层时通常需要 较大的催化剂材料负载量，以便满足空气阴极的制备过程中的需求以及空气阴极本身对于 催化性能的要求。发明人经过深入研究以及大量实验发现，这是由于构成催化剂层的材料 多是粉末状材料，因此需要在制备空气阴极的过程对其进行一系列成型处理，才能够将该 粉末状材料复合到空气阴极中。此外，在制备催化剂层的过程中需要添加粘结剂以便增强 催化剂层材料的接触，并且能够更好地通过揉压、直压、涂刷等方法进行成型处理。然而，上 述粘结剂材料通常为电子的绝缘体，因此粘结剂的添加也会对空气阴极的导电性能造成一 定影响。
[0006] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0007] 在本发明的第一方面，本发明提出了一种空气阴极。根据本发明的实施例，该空气 阴极包括：催化剂层，所述催化剂层所述催化剂层含有氮掺杂石墨烯；以及扩散层。由此， 可以由氮掺杂石墨烯为该空气阴极提供具有良好催化性能的催化剂层，并且该空气制备过 程简便，催化剂层无需添加粘结剂进行揉压成型，进而可以提高该空气阴极的电极性能。
[0008] 根据本发明的实施例，该空气阴极还可以进一步具有下列附加技术特征至少之
[0009] 根据本发明的实施例，该空气阴极进一步包括：集电层，其中，所述集电层是由不 锈钢形成的，所述集电层设置在所述扩散层以及所述催化剂层之间，或者所述催化剂层以 及所述扩散层设置在所述集电层的同一侧。由此，可以通过集电层增强该空气阴极的导电 性能，进而进一步提高该空气阴极的性能。
[0010] 根据本发明的实施例，该空气阴极进一步包括：支撑层，所述支撑层设置在所述扩 散层以及所述催化剂层之间，所述支撑层是由不锈钢形成的。由此，可以为该空气阴极提供 可靠的支撑。
[0011] 根据本发明的实施例，所述催化剂层形成在所述集电层的一侧，所述支撑层形成 在所述催化剂层远离所述集电层的一侧，所述扩散层形成在所述支撑层远离所述催化剂层 的一侧。由此，可以通过集电层以及支撑层为催化剂层和扩散层提供良好的支撑以及保护， 同时提高该空气阴极的电极导电性，进而可以进一步提高该空气阴极的电极性能。
[0012] 根据本发明的实施例，该空气阴极中，所述催化剂层中不含粘结剂。由此，可以提 高催化剂层的导电性能，进而进一步提高该空气阴极的电极性能。
[0013] 根据本发明的实施例，在该空气阴极中，所述催化剂层中，所述氮掺杂石墨烯的负 载量不大于2.5μg/cm2。发明人发现，在根据本发明实施例的空气阴极中，可以在催化剂层 催化活性成分含量较少的前提下达到较好的催化效果，从而，节省了该空气阴极的生产成 本，并保证了该空气阴极的电极性能不受影响。
[0014] 根据本发明的实施例，所述催化剂层包括所述催化剂层包括金属基底以及所述氮 掺杂石墨烯，所述氮掺杂石墨烯负载在所述金属基底上。由此，可以将含有氮掺杂石墨烯的 金属基底直接作为催化剂层，进而避免了复杂的成型操作，并且由于该催化剂层中含有金 属基底，进而进一步提高了催化剂层的导电性能，进而可以进一步提高该空气阴极的电极 性能。
[0015] 根据本发明的实施例，该空气阴极中，所述催化剂层是通过下列步骤形成的：将含 有所述金属基底的石英舟置于密闭的反应空间中，其中，所述金属基底包括镍网以及泡沫 镍的至少之一；在250~300摄氏度下，向所述反应空间中通入惰性气体，以便排出所述反 应空间中的空气；将所述反应空间中的温度升高至800~1200摄氏度，同时向所述反应空 间中通入氢气，所述氢气与所述惰性气体的流量比为1:40~1:1000 ;以及向所述反应空间 中供给液态前驱体，所述液态前驱体包括选自乙腈、吡啶以及吡咯的至少之一，所述液态前 驱体的流速为2~1000μ1/min，所述液态前驱体的供给时间为2~60分钟，以便在所述金 属基底上负载所述氮掺杂石墨烯，进而获得所述催化剂层。由此，可以简便地获得带有镍网 的氮掺杂石墨烯，进而可以进一步提高该空气阴极的电极性能。
[0016] 在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备空气阴极的方法。根据本发明的实 施例，该方法包括：（1)在金属基底上负载氮掺杂石墨烯，以便获得催化剂层；以及（2)在所 述催化剂层的一侧设置扩散层，以便获得所述空气阴极。由此，可以提高利用该方法制备空 气阴极的效率以及效果。
[0017] 根据本发明的实施例，该方法还可以进一步具有以下附加技术特征至少之一：
[0018] 根据本发明的实施例，所述催化剂层是通过以下步骤形成的：将含有所述金属基 底的石英舟置于密闭的反应空间中，其中，所述金属基底包括镍网以及泡沫镍的至少之一； 在250~300摄氏度下，向所述反应空间中通入惰性气体，以便排出所述反应空间中的空 气；将所述反应空间中的温度升高至800~1200摄氏度，同时向所述反应空间中通入氢气， 所述氢气与所述惰性气体的流量比为1:40~1:1000 ;以及向所述反应空间中供给液态前 驱体，所述液态前驱体包括选自乙腈、吡啶以及吡咯的至少之一，所述液态前驱体的流速为 2~1000μ1/min，所述液态前驱体的供给时间为2~60分钟，以便在所述金属基底上负载 所述氮掺杂石墨烯，进而获得所述催化剂层，所述扩散层是通过以下步骤形成的：取质量比 为2:3的碳黑以及聚四氟乙烯混合物，加入乙醇并在80摄氏度水浴中超声10~30分钟至 形成粘稠状混合物；将所述粘稠状混合物进行成型处理，以便获得所述扩散层。由此，可以 提高利用该方法制备空气阴极的效率以及效果。
[0019] 根据本发明的实施例，在设置所述扩散层之前，预先设置集电层，所述集电层是由 不锈钢形成的，其中，所述集电层设置在所述扩散层以及所述催化剂层之间，或者所述催化 剂层以及所述扩散层设置在所述集电层的同一侧。由此，可以进一步提高利用该方法制备 的空气阴极的效率以及效果。
[0020] 根据本发明的实施例，该方法进一步包括：设置支撑层，所述支撑层设置在所述扩 散层以及所述催化剂层之间，所述支撑层是由不锈钢形成的。由此，可以进一步提高利用该 方法制备的空气阴极的效率以及效果。
[0021] 在本发明的又一方面，本发明提出了一种微生物燃料电池。根据本发明的实施例， 该微生物燃料电池包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；阳极，所述阳极设置在所述反 应空间中；产电微生物，所述产电微生物附着在所述阳极的外表面；以及前面所述的空气 阴极，所述空气阴极设置在所述反应空间中，并且所述空气阴极与所述阳极电连接。由此， 可以提高利用该空气阴极作为电池阴极的微生物燃料电池的使用效果。
[0022] 在本发明的又一方面，本发明提出了前面描述的微生物燃料电池在处理水性介质 中的用途。由此，可以利用上述微生物燃料电池处理例如污水等水性介质，进而可以提高污 水处理的效率以及效果。
【附图说明】
[0023] 图1显示了根据本发明一个实施例的空气阴极的结构示意图；
[0024] 图2显示了根据本发明另一个实施例的空气阴极的结构示意图；
[0025] 图3显示了根据本发明又一个实施例的空气阴极的结构示意图；
[0026] 图4显示了根据本发明又一个实施例的空气阴极的结构示意图；
[0027] 图5显示了根据本发明一个实施例的微生物燃料电池的结构示意图；
[0028] 图6显示了根据本发明实施例的催化剂层的扫描电子显微镜照片；
[0029] 图7显示了根据本发明实施例的催化剂层的扫描电子显微镜照片；
[0030] 图8显示了根据本发明实施例的氮掺杂石墨烯的拉曼光谱图以及分析图；
[0031] 图9显示了根据本发明一个实施例的氮掺杂石墨烯的X射线光电子能谱（XPS)测 试结果图；
[0032] 图10显示了根据本发明实施例的空气阴极电化学线性扫描伏安曲线；
[0033] 图11显示了根据本发明实施例的微生