一种用于微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法
【专利摘要】本发明属于微生物燃料电池技术领域，公开了一种用于微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法，该空气阴极采用不同目数的双层金属网作为集电体，并采用复层涂压结合激光照射法制备气体扩散层和催化层，具体为先将超级电容活性炭粉末、尿素、PTFE乳液混合，并加热沸腾使其成为粘稠泥状物质后辊压成活性炭薄层；将活性炭薄层辊压固定与集电体中目数较小一侧，激光照射后得到催化层；导电炭黑与制备的PDMS溶液混合后分两次涂抹于集电体中目数较大一侧，静置风干后烘干得气体扩散层。本发明在三维结构的双层金属网集电体上，使用涂刷法制备气体扩散层，使用辊压法结合激光照射制作催化层，提高微生物燃料电池性能和稳定性，进一步降低成本。
【专利说明】
一种用于微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种使用三维结构的双层金属网作为集电体，采用复层涂压结合激光照射法制备微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展，对能源的需求量日趋增加，资源短缺、能源匮乏以及环境污染成为人类不可小觑的问题。微生物燃料电池(MFC)技术是一种利用微生物氧化废水中的有机物和无机物将化学能直接转换成电能的的新型技术，不仅能够进行污水处理，并且能够利用微生物产生电能。作为一种新型清洁能源技术，微生物燃料电池具有无污染、高效率、适用广、无噪声、可连续工作、可靠性高等诸多优点，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。
[0003]阴极是众多燃料电池的重要组成部分，是影响电池产电量的关键因素之一。燃料电池中以氧气为氧化剂发生氧还原反应的阴极称为空气阴极，以廉价、易得的氧气作为电子受体的空气扩散阴极，已广泛应用于商品化的燃料电池和金属空气电池中，如以色列Phinergy公司展示的招空气电池以及日本Agua Power公司开发制造的镁空气电池等。目前，虽然空气阴极在微生物燃料电池中是研究得最多的一种阴极形式，但是它仍处于实验室阶段，没有大规模的生产与应用。目前，常用的空气阴极制作方法都是借鉴Logan等人(Cheng S,Liu H,Logan B E.1ncreased performance of single-chamber microbialfuel cells using an improved cathode structure[J].ElectrochemistryCommunicat1ns，2006,8(3):489-494.)提出的微生物空气阴极制作方法:使用疏水碳布作为集电材料，在碳布一侧涂刷碳粉和PTFE的混合物作为碳基层，室温下干燥两小时后放入370 °C烘箱中加热30min，再在碳基层上涂刷四层60 %的PTFE乳液作为空气扩散层，每涂一层都在370 0C烘箱中烘干10-15min;在碳布的另一侧(与电解液接触一侧)涂刷Pt/C催化剂和Naf1n粘结剂的混合物作为催化层。该空气阴极能够在短期内显示出较好的氧化还原催化性能，使燃料电池的最大功率密度和库伦效率显著提高，但是该方法存在一些缺陷:(I)催化层使用亲水性的Naf1n作为粘结剂时，需要涂刷四层，并且每涂一层都要进行高温烧结，费时费力；⑵使用昂贵的Pt催化剂，成本较高，不利于商品化生产；(3)使用涂刷法制作的催化层，可能会在使用过程中脱离空气阴极落入电解液中；(4)碳布在灼烧过程中会发生卷曲，增加了制备扩散层的难度。因此，开发一种廉价、高效、稳定性好的空气阴极具有重要意义。
【发明内容】
[0004]为了解决上述制备空气阴极方法中存在的不足，本发明提出了一种用于微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法，采用复层涂压结合激光照射的方法制备微生物燃料电池空气阴极，即在三维结构的双层金属网集电体上，使用涂刷法制备气体扩散层，使用辊压法结合激光照射制作催化层，达到提高微生物燃料电池性能和稳定性，进一步降低成本的目的。
[0005]本发明通过以下的技术方案予以实现:
[0006]—种用于微生物燃料电池的空气阴极，该空气阴极的集电体采用三维结构的金属网，采用复层涂压结合激光照射法制备气体扩散层和催化层，具体由以下制备方法得到:
[0007](I)裁剪两片与反应器大小相近的不同目数的金属网，将裁剪好的两片金属网依次放入丙酮溶液和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60°C干燥箱中干燥12h;用点焊机将两片不同目数的金属网均匀地焊接电焊到一起，制得空气阴极的集电体。
[0008](2)按照1:0?0.05的质量比称取超级电容活性炭粉末和尿素于容器中，加入异丙醇将其浸没，在30 °C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入一定量的质量浓度为40%?60%的PTFE乳液，继续放在30 °C下超声搅拌30min，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀；其中，PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:4.5?6;
[0009]将混合均匀的液体放入恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均匀，辊压成0.2?0.4mm厚度的活性炭薄层；
[0010](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在集电体中较小目数一侧的金属网上，然后放入棍压机中棍压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.3?0.5mm，置于功率为I?1W半导体激光器下照射I?30min，即可制得所需空气阴极催化层。
[0011](4)取质量比为10:1的硅油和固化剂于烧杯中，超声搅拌30min，之后加入甲苯，制得质量浓度为8%?15%的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0012](5)称取导电炭黑，按照1:3?4.5的质量比放入步骤(4)配置好的PDMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀;使用毛刷将上述均匀混合液涂抹于集电体的目数较大一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80°C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0013]—种用于微生物燃料电池的空气阴极的制备方法，该空气阴极的集电体采用三维结构的金属网，采用复层涂压结合激光照射法制备气体扩散层和催化层，该方法按照以下步骤进行:
[0014](I)两片不同目数的金属网按照反应器的尺寸裁剪，将裁剪后的两片金属网超声清洗并干燥后，均匀焊接为一体，制得空气阴极的集电体；
[0015](2)将超级电容活性炭粉末和尿素按照1:0?0.05的质量比混合，并加入异丙醇将其浸没，超声搅拌至充分分散;然后逐滴加入质量浓度为40 %?60 %的PTFE乳液，继续超声搅拌，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀;其中，PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为I: 4.5?6 ；
[0016]将混合均匀的液体放入恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均匀，辊压成0.2?0.4mm厚度的活性炭薄层；
[0017](3)将步骤(2)得到的活性炭薄层平铺在步骤(I)所得集电体中较小目数一侧的金属网上，棍压固定至活性炭薄层与集电体总厚度为0.3?0.5mm后，置于功率为I?1W半导体激光器下照射，即可制得所需的空气阴极催化层；
[0018](4)按照10:1的质量比将硅油和固化剂混合，超声搅拌使其混合均匀后加入甲苯，制得质量浓度为8%?15%的PDMS溶液并继续超声搅拌；
[0019](5)按照1:3?4.5的质量比将导电炭黑放入步骤(4)得到的PDMS溶液中，超声搅拌使其混合均匀后，将上述均匀混合液涂抹于步骤(I)所得集电体中较大目数一侧的金属网上，静置风干后，涂抹第二层，静置风干后于干燥箱中烘干，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0020]在上述用于微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法中:
[0021]优选地，步骤(I)中的所述两片不同目数的金属网，其目数分别为30?60目和70?120 目。
[0022]优选地，步骤(2)中PTFE乳液的质量浓度为60%;恒温水浴进行加热的温度为83Γ。
[0023]优选地，步骤(4)中的硅油选用道康宁184硅油；制得PDMS溶液的质量浓度为10%。
[0024]优选地，步骤(5)中导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:4。
[0025]本发明的有益效果是:
[0026]本发明采用由双层金属网构成的三维结构集电体，相比于碳布以及其他集电体更加稳固、不易变形、制作过程中不会发生卷曲，更重要的是双层金属网有利于外侧气体扩散层的氧气传输、增加了内侧催化面积，大幅度地提高了电池性能；
[0027]本发明的空气阴极催化层采用辊压法将催化剂压入集电体的三维网格中，相比于传统涂刷法制作的催化层来说，催化剂负载量几乎相同，并且不易脱落，能够形成结构紧密的电极，在性能和精确性上有了很大的提升;而催化层进行激光照射之后，在其表面可生成表面积大、导电性极强的石墨烯，能够提高电池的能量密度和功率密度；
[0028]本发明的空气阴极气体扩散层使用疏水性的PDMS乳液代替PTFE乳液作为粘结剂，不仅能够节约成本，而且只需涂刷两层扩散层且不需要在340°C下进行高温烧结，能够一次成型，大大简化了扩散层的制作工艺，适于扩大化生产；同时PDMS乳液与导电炭黑混合的过程中进行了超声搅拌，能够在电极中形成均匀、细微的气孔，这些微小气孔不仅有利于氧气的传输，而且能够减少反应液的渗漏、蒸发；
[0029]本发明先将催化层压进双层金属网，再涂刷扩散层的工艺，可以大大提高电极材料的电化学性能。双层金属网能够减少气体扩散层和催化层的相互影响；外侧金属网对气体扩散层形成支撑，使得氧气能够顺利进入电池内进行氧化还原反应；由于外侧金属网的存在，使得内层催化层侧的空间全部空出，增加了催化层的碳载量以及催化层与金属网的接触面积，提供了更多的三相界面的还原位点，提高了催化性能。
【附图说明】
[0030]图1是本发明所提供的空气阴极其制备方法的流程示意图；
[0031]图2是微生物燃料电池及本发明的空气阴极结构示意图。
[0032]图3是实施例1所制得空气阴极的功率密度曲线图。
[0033]图4是实施例4所制得空气阴极的功率密度曲线图。
[0034]图5是实施例7所制得空气阴极的功率密度曲线图。
【具体实施方式】
[0035]下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述:
[0036]以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0037]以下各实施例在进行搅拌时，使用超声波清洗器的工作频率为53kHz，超声搅拌功率为200W，槽内温度设置为30 °C?40 °C。
[0038]实施例1:
[0039](I)分别裁剪出两片ScmXScm大小的30目和120目铜网，将裁剪好的两片铜网依次放入丙酮溶液(分析纯)和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60 V干燥箱中干燥12h;用点焊机将30目和120目的铜网均匀地焊接到一起，制得空气阴极的集电体。
[0040](2)分别称取500mg超级电容活性炭粉末和1mg(超级电容活性炭粉末和尿素的质量比为1:0.02)尿素置于容器中，加入20ml异丙醇将其浸没，在30°C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入84mg的质量浓度为60%的PTFE乳液(PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:6)，继续放在30°C下超声搅拌30min，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀。
[0041]将混合均匀的液体放入83°C恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均勾，$昆压成0.25mm厚度的活性炭薄层。
[0042](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在30目铜网一侧，然后放入辊压机中辊压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.35mm，置于功率为4W半导体激光器下照射15min，即可制得所需空气阴极催化层。
[0043](4)取50mg道康宁184娃油和5mg固化剂于烧杯中，超声搅拌30min使其充分混合，之后加入495mg甲苯，制得质量浓度为10 %的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0044](5)称取138mg导电炭黑(导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:4)，放入步骤(4)中配置好的I3DMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀；使用毛刷将上述均匀混合的液体涂抹于120目集电体一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80 0C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0045]该空气阴极应用时根据微生物燃料电池结构尺寸裁剪即可。
[0046]使用双层铜网构建的三维结构的集电体，使催化剂均匀分布在集电体30目侧，提高了催化层的导电性和催化剂的利用率，从而提高阴极性能，并且相比于碳布等材料，铜网价格更低。图3所示为本实施例所制得空气阴极的功率密度曲线，其最大功率密度为1519mff/m2o
[0047]实施例2:
[0048](I)分别裁剪出两片ScmXScm大小的40目和70目铜网，将裁剪好的两片铜网依次放入丙酮溶液(分析纯)和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60 V干燥箱中干燥12h;用点焊机将40目和70目的铜网均匀地焊接到一起，制得空气阴极的集电体。
[0049](2)称取500mg超级电容活性炭粉末(超级电容活性炭粉末和尿素的质量比为1:0)置于容器中，加入20ml异丙醇将其浸没，在30 °C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入10mg的质量浓度为40%的PTFE乳液(PTFE乳液与超级电容活性炭的质量比为1:5)，继续放在300C下超声搅拌30min，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀。
[0050]将混合均匀的液体放入83°C恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均勾，$昆压成0.2mm厚度的活性炭薄层。
[0051](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在40目铜网一侧，然后放入辊压机中辊压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.3mm，置于功率为IW半导体激光器下照射lmin，SP可制得所需空气阴极催化层。
[0052](4)取50mg道康宁184硅油和5mg固化剂于烧杯中，超声搅拌30min使其充分混合，之后加入633mg甲苯，制得质量浓度为8%的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0053](5)称取229mg导电炭黑(导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:3)，放入步骤(4)中配置好的I3DMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀；使用毛刷将上述均匀混合的液体涂抹于70目集电体一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80 0C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0054]该空气阴极应用时根据微生物燃料电池结构尺寸裁剪即可。
[0055]使用双层铜网构建的三维结构的集电体，使催化剂均匀分布在集电体40目侧，提高了催化层的导电性和催化剂的利用率，从而提高阴极性能，并且相比于碳布等材料，铜网价格更低。本实施例所制得空气阴极，其最大功率密度为1208mW/m2。
[0056]实施例3:
[0057](I)分别裁剪出两片ScmXScm大小的60目和100目铜网，将裁剪好的两片铜网依次放入丙酮溶液(分析纯)和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60 V干燥箱中干燥12h;用点焊机将60目和100目的铜网均匀地焊接到一起，制得空气阴极的集电体。
[0058](2)分别称取500mg超级电容活性炭粉末和25mg(超级电容活性炭粉末和尿素的质量比为1:0.05)尿素置于容器中，加入20ml异丙醇将其浸没，在30°C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入117mg的质量浓度为50%的PTFE乳液(PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:4.5)，继续放在30°C下超声搅拌30min，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀。
[0059]将混合均匀的液体放入83°C恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均勾，$昆压成0.4mm厚度的活性炭薄层。
[0060](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在60目铜网一侧，然后放入辊压机中辊压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.5mm，置于功率为1W半导体激光器下照射30min，即可制得所需空气阴极催化层。
[0061 ] (4)取50mg道康宁184娃油和5mg固化剂于烧杯中，超声搅拌30min使其充分混合，之后加入311mg甲苯，制得质量浓度为15%的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0062](5)称取82mg导电炭黑(导电炭黑与MMS溶液的质量比为1:4.5)，放入步骤(4)中配置好的I3DMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀；使用毛刷将上述均匀混合的液体涂抹于100目集电体一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80°C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0063]该空气阴极应用时根据微生物燃料电池结构尺寸裁剪即可。
[0064]使用双层铜网构建的三维结构的集电体，使催化剂均匀分布在集电体60目侧，提高了催化层的导电性和催化剂的利用率，从而提高阴极性能，并且相比于碳布等材料，铜网价格更低。本实施例所制得空气阴极，其最大功率密度为1347mW/m2。
[0065]实施例4:
[0066](I)分别裁剪出两片ScmXScm大小的30目和120目不锈钢网，将裁剪好的两片不锈钢网依次放入丙酮溶液(分析纯)和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60°C干燥箱中干燥12h;用点焊机将30目和120目的不锈钢网均匀地焊接到一起，制得空气阴极的集电体。
[0067](2)分别称取500mg超级电容活性炭粉末和1mg(超级电容活性炭粉末和尿素的质量比为1:0.02)尿素置于容器中，加入20ml异丙醇将其浸没，在30°C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入84mg的质量浓度为60%的PTFE乳液(PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:6)，继续放在30°C下超声搅拌30min，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀。
[0068]将混合均匀的液体放入83°C恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均勾，$昆压成0.25mm厚度的活性炭薄层。
[0069](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在30目不锈钢网一侧，然后放入辊压机中辊压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.35mm，置于功率为4W半导体激光器下照射15min，即可制得所需空气阴极催化层。
[°07°] (4)取50mg道康宁184娃油和5mg固化剂于烧杯中，超声搅拌30min使其充分混合，之后加入495mg甲苯，制得质量浓度为10 %的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0071](5)称取138mg导电炭黑(导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:4)，放入步骤(4)中配置好的I3DMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀；使用毛刷将上述均匀混合的液体涂抹于120目集电体一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80 0C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0072]该空气阴极应用时根据微生物燃料电池结构尺寸裁剪即可。
[0073]使用双层不锈钢网构建的三维结构的集电体，使催化剂均匀分布在集电体30目侦U，提高了催化层的导电性和催化剂的利用率，从而提高阴极性能，并且相比于碳布等材料，不锈钢网价格更低。图4所示为本实施例所制得空气阴极的功率密度曲线，其最大功率密度为 1452mW/m2。
[0074]实施例5:
[0075](I)分别裁剪出两片ScmXScm大小的40目和70目不锈钢网，将裁剪好的两片不锈钢网依次放入丙酮溶液(分析纯)和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60°C干燥箱中干燥12h;用点焊机将40目和70目的不锈钢网均匀地焊接到一起，制得空气阴极的集电体。
[0076](2)称取500mg超级电容活性炭粉末(超级电容活性炭粉末和尿素的质量比为1:0)置于容器中，加入20ml异丙醇将其浸没，在30 °C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入10mg的质量浓度为50%的PTFE乳液(PTFE乳液与超级电容活性炭的质量比为1:5)，继续放在300C下超声搅拌30min，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀。
[0077]将混合均匀的液体放入830C恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均勾，$昆压成0.2mm厚度的活性炭薄层。
[0078](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在40目不锈钢网一侧，然后放入辊压机中辊压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.3mm，置于功率为IW半导体激光器下照射lmin，即可制得所需空气阴极催化层。
[0079](4)取50mg道康宁184硅油和5mg固化剂于烧杯中，超声搅拌30min使其充分混合，之后加入633mg甲苯，制得质量浓度为8%的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0080](5)称取229mg导电炭黑(导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:3)，放入步骤(4)中配置好的I3DMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀；使用毛刷将上述均匀混合的液体涂抹于70目集电体一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80 0C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0081]该空气阴极应用时根据微生物燃料电池结构尺寸裁剪即可。
[0082]使用双层不锈钢网构建的三维结构的集电体，使催化剂均匀分布在集电体40目侦U，提高了催化层的导电性和催化剂的利用率，从而提高阴极性能，并且相比于碳布等材料，不锈钢网价格更低。本实施例所制得空气阴极，其最大功率密度为1175mW/m2。
[0083]实施例6:
[0084](I)分别裁剪出两片ScmXScm大小的60目和100目不锈钢网，将裁剪好的两片不锈钢网依次放入丙酮溶液(分析纯)和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60°C干燥箱中干燥12h;用点焊机将60目和100目的不锈钢网均匀地焊接到一起，制得空气阴极的集电体。
[0085](2)分别称取500mg超级电容活性炭粉末和25mg(超级电容活性炭粉末和尿素的质量比为1:0.05)尿素置于容器中，加入20ml异丙醇将其浸没，在30°C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入117mg的质量浓度为40%的PTFE乳液(PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:4.5)，继续放在30°C下超声搅拌30min，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀。
[0086]将混合均匀的液体放入83°C恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均勾，$昆压成0.4mm厚度的活性炭薄层。
[0087](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在60目不锈钢网一侧，然后放入辊压机中辊压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.5mm，置于功率为1W半导体激光器下照射30min，即可制得所需空气阴极催化层。
[0088](4)取50mg道康宁184娃油和5mg固化剂于烧杯中，超声搅拌30min使其充分混合，之后加入311mg甲苯，制得质量浓度为15%的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0089](5)称取82mg导电炭黑(导电炭黑与MMS溶液的质量比为1:4.5)，放入步骤(4)中配置好的I3DMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀；使用毛刷将上述均匀混合的液体涂抹于100目集电体一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80°C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0090]该空气阴极应用时根据微生物燃料电池结构尺寸裁剪即可。[0091 ]使用双层不锈钢网构建的三维结构的集电体，使催化剂均匀分布在集电体60目侦U，提高了催化层的导电性和催化剂的利用率，从而提高阴极性能，并且相比于碳布等材料，不锈钢网价格更低。本实施例所制得空气阴极，其最大功率密度为1303mW/m2。
[0092]实施例7:
[0093](I)分别裁剪出两片ScmXScm大小的30目和120目不锈钢网，将裁剪好的两片不锈钢网依次放入丙酮溶液(分析纯)和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60°C干燥箱中干燥12h;用点焊机将30目和120目的不锈钢网均匀地焊接到一起，制得空气阴极的集电体。
[0094](2)分别称取500mg超级电容活性炭粉末和1mg(超级电容活性炭粉末和尿素的质量比为1:0.02)尿素置于容器中，加入20ml异丙醇将其浸没，在30°C下对以上混合物超声搅拌30min，使其充分分散;然后逐滴加入102mg的质量浓度为60%的PTFE乳液(PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:5)，继续放在30°(:下超声搅拌301^11，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀。
[0095]将混合均匀的液体放入83°C恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均勾，$昆压成0.25mm厚度的活性炭薄层。
[0096](3)制作好活性炭薄层后，将其平铺在30目不锈钢网一侧，然后放入辊压机中辊压固定，直到活性炭薄层与集电体总厚度为0.35mm，置于功率为4W半导体激光器下照射15min，即可制得所需空气阴极催化层。
[0097](4)取50mg道康宁184硅油和5mg固化剂于烧杯中，超声搅拌30min使其充分混合，之后加入495mg甲苯，制得质量浓度为10 %的PDMS乳液，超声搅拌30min。
[0098](5)称取138mg导电炭黑(导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:4)，放入步骤(4)中配置好的I3DMS溶液中，超声搅拌30min，使其混合均匀；使用毛刷将上述均匀混合的液体涂抹于120目集电体一侧，在空气中静置2h，待第一层风干后，涂抹第二层，同样放在空气中静置2h风干，最后放入80 0C干燥箱中烘干30min，即可制得空气阴极气体扩散层。
[0099]该空气阴极应用时根据微生物燃料电池结构尺寸裁剪即可。
[0100]使用双层不锈钢网构建的三维结构的集电体，使催化剂均匀分布在集电体30目侦U，提高了催化层的导电性和催化剂的利用率，从而提高阴极性能，并且相比于碳布等材料，不锈钢网价格更低。图5所示为本实施例所制得空气阴极的功率密度曲线，其最大功率密度为 1364mW/m2。
[0101]结果表明，相比于单层金属网或碳布等材料作为集电体的空气阴极，双层金属网作为集电体的效果更好，电池性能更优。相同条件下，双层铜网具有比双层不锈钢网更好的导电性能，双层铜网可以降低阴极的电子传递电阻，更有利于电子的传递，所以表现出比双层不镑钢网更好的性能;在功率为4W的激光下照射15min生成石墨稀的量是最优的；金属网目数对于空气阴极的性能也有较大影响，30目和120目组合时的效果最好:外层目数大，网孔小，有利与氧气传输，内测目数小，网孔大，增加了内测催化面积。PTFE浓度、PDMS浓度等因素也会对该空气阴极性能产生影响。该种方法制备的空气阴极无论是在稳定性、经济型、还是实用性上都较以前的方法有明显的优势，使微生物燃料电池空气阴极的扩大化生产成为可能。
【主权项】
1.一种用于微生物燃料电池的空气阴极，该空气阴极的集电体采用三维结构的金属网，其特征在于，采用复层涂压结合激光照射法制备气体扩散层和催化层，具体由以下制备方法得到: (1)两片不同目数的金属网按照反应器的尺寸裁剪，将裁剪后的两片金属网超声清洗并干燥后，均匀焊接为一体，制得空气阴极的集电体； (2)将超级电容活性炭粉末和尿素按照1:0?0.05的质量比混合，并加入异丙醇将其浸没，超声搅拌至充分分散;然后逐滴加入质量浓度为40%?60%的PTFE乳液，继续超声搅拌，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀;其中，PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:4.5?6; 将混合均匀的液体放入恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均匀，辊压成0.2?0.4mm厚度的活性炭薄层； (3)将步骤(2)得到的活性炭薄层平铺在步骤(I)所得集电体中较小目数一侧的金属网上，$昆压固定至活性炭薄层与集电体总厚度为0.3?0.5mm后，置于功率为I?1W半导体激光器下照射，即可制得所需的空气阴极催化层； (4)按照10:1的质量比将硅油和固化剂混合，超声搅拌使其混合均匀后加入甲苯，制得质量浓度为8%?15%的PDMS溶液并继续超声搅拌； (5)按照1:3?4.5的质量比将导电炭黑放入步骤(4)得到的PDMS溶液中，超声搅拌使其混合均匀后，将上述均匀混合液涂抹于步骤(I)所得集电体中较大目数一侧的金属网上，静置风干后，涂抹第二层，静置风干后于干燥箱中烘干，即可制得空气阴极气体扩散层。2.根据权利要求1所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，步骤(I)中的所述两片不同目数的金属网，其目数分别为30?60目和70?120目；步骤(I)中的超声清洗并干燥的具体操作为依次放入丙酮溶液和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60°C干燥箱中干燥12h。3.根据权利要求1所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，步骤(2)中PTFE乳液的质量浓度为60% ;恒温水浴进行加热的温度为83°C。4.根据权利要求1所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，步骤(4)中的硅油选用道康宁184硅油;制得PDMS溶液的质量浓度为1 %。5.根据权利要求1所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，步骤(5)中导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:4。6.—种用于微生物燃料电池的空气阴极的制备方法，该空气阴极的集电体采用三维结构的金属网，其特征在于，采用复层涂压结合激光照射法制备气体扩散层和催化层，该方法按照以下步骤进行: (1)两片不同目数的金属网按照反应器的尺寸裁剪，将裁剪后的两片金属网超声清洗并干燥后，均匀焊接为一体，制得空气阴极的集电体； (2)将超级电容活性炭粉末和尿素按照1:0?0.05的质量比混合，并加入异丙醇将其浸没，超声搅拌至充分分散;然后逐滴加入质量浓度为40%?60%的PTFE乳液，继续超声搅拌，使超级电容活性炭与尿素分散液和PTFE乳液混合均匀;其中，PTFE乳液与超级电容活性炭和尿素混合物的质量比为1:4.5?6; 将混合均匀的液体放入恒温水浴中进行加热而使其保持沸腾状态，并不断进行搅拌，直至混合物成为能够用玻璃棒挑起的粘稠泥状物质;将上述粘稠泥状物质揉捏均匀，辊压成0.2?0.4mm厚度的活性炭薄层； (3)将步骤(2)得到的活性炭薄层平铺在步骤(I)所得集电体中较小目数一侧的金属网上，$昆压固定至活性炭薄层与集电体总厚度为0.3?0.5mm后，置于功率为I?1W半导体激光器下照射，即可制得所需的空气阴极催化层； (4)按照10:1的质量比将硅油和固化剂混合，超声搅拌使其混合均匀后加入甲苯，制得质量浓度为8%?15%的PDMS溶液并继续超声搅拌； (5)按照1:3?4.5的质量比将导电炭黑放入步骤(4)得到的PDMS溶液中，超声搅拌使其混合均匀后，将上述均匀混合液涂抹于步骤(I)所得集电体中较大目数一侧的金属网上，静置风干后，涂抹第二层，静置风干后于干燥箱中烘干，即可制得空气阴极气体扩散层。7.根据权利要求6所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极的制备方法，其特征在于，步骤(I)中的所述两片不同目数的金属网，其目数分别为30?60目和70?120目；步骤(I)中的超声清洗并干燥的具体操作为依次放入丙酮溶液和蒸馏水中超声清洗30min，再放入60°C干燥箱中干燥12h。8.根据权利要求6所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中PTFE乳液的质量浓度为60%;恒温水浴进行加热的温度为83°C。9.根据权利要求6所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的硅油选用道康宁184硅油;制得PDMS溶液的质量浓度为10%。10.根据权利要求6所述的一种用于微生物燃料电池的空气阴极的制备方法，其特征在于，步骤(5)中导电炭黑与PDMS溶液的质量比为1:4。
【文档编号】H01M4/88GK106058269SQ201610594827
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月21日 公开号201610594827.9, CN 106058269 A, CN 106058269A, CN 201610594827, CN-A-106058269, CN106058269 A, CN106058269A, CN201610594827, CN201610594827.9
【发明人】刘宪华, 王颖
【申请人】天津大学