空气阴极以及微生物燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及环境、材料、能源领域，具体地，本实用新型设及用于处理中性介 质的空气阴极W及用于处理中性介质的微生物燃料电池。
【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W及微生物燃料电池的催化效率W及 电池性能仍有待提局。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。 阳〇化]在本实用新型的第一方面，本实用新型提出了一种用于处理中性介质的空气阴 极。具体地，该空气阴极包括：由氮渗杂碳形成的催化剂层；集电层；W及扩散层。由此，可 W由该氮渗杂碳为该空气阴极提供具有成本低廉并且高效的催化效果，并且该空气阴极在 微生物燃料电池的中性体系中也能够发挥较好的效果。
[0006] 具体地，在该用于处理中性介质的空气阴极中，所述集电层形成在所述扩散层的 一侧，所述催化剂层形成在所述集电层远离所述扩散层的一侧。由此，可W进一步提高该空 气阴极的性能。
[0007] 具体地，在该用于处理中性介质的空气阴极中，所述催化剂层形成在所述扩散层 的一侧，所述集电层形成在所述催化剂层远离所述扩散层的一侧。由此，可W进一步提高该 空气阴极的性能。
[0008] 具体地，在该用于处理中性介质的空气阴极中，进一步包括：由不诱钢网形成的支 撑层，所述支撑层形成在所述扩散层W及所述催化剂层之间。由此，可W为该空气阴极提供 可靠的支撑。
[0009] 具体地，在该用于处理中性介质的空气阴极中，所述集电层是由不诱钢形成的。由 此，进而可W进一步提高该空气阴极的使用效果。
[0010] 在本实用新型的第二方面，本实用新型提出了一种用于处理中性介质的微生物燃 料电池。具体地，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；产电微 生物，所述产电微生物形成在所述阳极的外表面；前面所述的空气阴极，所述空气阴极与所 述阳极电连接。由此，可W降低该微生物燃料电池的阴极制备成本，并提高该燃料电池的使 用效果。
[0011] 具体地，在该用于处理中性介质的微生物燃料电池中，所述阳极为碳刷、碳布、碳 纤维布或者颗粒活性炭形成的。由此，可W进一步节省该燃料电池的成本，并提高所述产电 菌在阳极的附着能力。
[0012] 具体地，该用于处理中性介质的微生物燃料电池，所述中性介质的抑值为抑值为 4~9,优选地，所述抑值为6~8。由此，可W进一步提高该微生物燃料电池的使用效果。
【附图说明】
[0013] 图1显示了根据本实用新型一个实施例的空气阴极的结构示意图；
[0014] 图2显示了根据本实用新型另一个实施例的空气阴极的结构示意图；
[0015] 图3显示了根据本实用新型又一个实施例的空气阴极的结构示意图；
[0016] 图4显示了根据本实用新型一个实施例的用于处理中性介质的微生物燃料电池 的结构示意图；
[0017] 图5显示了根据本实用新型另一个实施例的用于处理中性介质的微生物燃料电 池的结构示意图；
[0018] 图6显示了根据本实用新型又一个实施例的用于处理中性介质的微生物燃料电 池的结构示意图；
[0019] 图7显示了根据本实用新型一个实施例的制备氮渗杂碳的流程示意图；
[0020] 图8显示了根据本实用新型实施例的氮渗杂碳的比表面积度ET)测试结果W及X 射线光电子能谱狂P巧测试结果图；
[0021] 图9显示了根据本实用新型实施例的阴极半电池电流密度-阴极电势曲线图；
[0022] 图10显示了根据本实用新型实施例的微生物燃料电池电流密度-功率密度曲线 图；化及
[0023] 图11显示了根据本实用新型实施例的微生物燃料电池输出功率稳定性测试结果 图。
[0024] 附图标记： 阳〇2引 10 :催化剂层
[0026] 20 :集电层 阳〇27] 30 :扩散层
[00測 40 :支撑层
[0029] 100 :壳体 阳030] 200:隔板 阳03U 300:阳极 阳03引 400:阴极
[0033] 500:产电微生物
【具体实施方式】
[0034] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过 参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新 型的限制。
[0035] 本实用新型是基于发明人对W下事实和问题的发现和认识作出的：
[0036]目前用于空气阴极的催化剂中，较为常用的为Pt,Pt催化剂具有催化效率高的优 点，但价格昂贵，并且长期运行时催化效率会发生衰减，尤其在污水体系中。此外，非贵金属 氧化物（如Mn〇2)作为阴极催化剂虽然成本相对较低，但催化效果不如Pt。纳米碳材料复 合金属氧化物（如石墨締/a-MoC、多壁碳纳米管/Nin.ssSe、氮渗杂化/FesC/C、Ag/GC等） 用于微生物燃料电池阴极催化剂，具有较好的催化性能，但制备工艺较为复杂。碳基催化剂 由于其来源广泛，催化性能好，因此逐渐引起人们的关注。在碳基催化剂中，活性炭制备工 艺简单、比表面积高、表面易修饰，因此是一种较高效的阴极催化剂。但与传统Pt阴极催化 剂相比，活性炭催化活性尚待进一步提高。因此，开发具有较高催化效率并且成本低廉的空 气阴极，并使其在微生物燃料电池的中性体系中发挥较好的催化作用，成为推动微生物燃 料电池发展的重点。
[0037] 有鉴于此，在本实用新型的第一方面，本实用新型提出了一种用于处理中性介质 的空气阴极。下面对该空气阴极的具体结构进行详细描述。参考图1~图3,根据本实用新 型的实施例，该空气阴极包括：催化剂层10、集电层20W及扩散层30。具体地，催化剂层10 是由氮渗杂碳形成的，W便提高催化剂层10的催化效果；集电层20用于收集电流W提高该 空气阴极的导电能力；扩散层30用于促进氧气的传输W及防止液态水从空气阴极中溢出。 由此，可W由氮渗杂碳形成的催化剂层10为该空气阴极提供具良好的催化性能，进而提高 该空气阴极的使用效果。
[0038] 具体地，根据本实用新型的实施例，参考图1，该空气阴极的扩散层30可W与空气 相接触（图中未示出），W便利用空气中的氧气发生还原反应，进而实现该空气阴极的使用 功能。集电层20形成在扩散层30远离空气的一侧，催化剂层10形成在集电层20远离扩 散层30的一侧，并与电解液接触（图中未示出）。由此，扩散层30与空气接触，W便氧气可 W扩散至该空气阴极中，同时集电层20用于富集电流，并提高空气阴极的导电性，催化剂 层10在催化剂作用下，利用电子与氧气发生还原反应，进而可W提高该空气阴极的使用效 果。
[0039] 此外，根据本实用新型的实施例，参考图2,该空气阴极还可W具有W下结构：扩 散层30与空气相接触（图中未示出），催化剂层10位于形成在扩散层30远离空气的一侧， 集电层20形成在催化剂层10远离扩散层30的一侧，并与电解液接触（图中未示出）。进 而可W提高该空气阴极的使用效果。
[0040] 此外，为了进一步提高该空气阴极的使用效果，该空气阴极还可W进一步具有支 撑层。根据本实用新型的实施例，参考图3,支撑层40形成在催化剂层10与扩散层30之 间，并且支撑层40可W由不诱钢网形成。由此，可W通过支撑层20为该空气阴极提供更加 良好的支撑结构，并且支撑层40与集电层20分别位于催化剂层10的两侧，进而可W为催 化剂层20提供良好的保护，防止在实际使用过程中催化剂层20粉化损失而对该空气阴极 的使用效果造成不利影响。此外，由不诱钢网构成的支撑层20还可W进一步提高该空气阴 极的导电性，进而可W进一步提高该空气阴极的性能。
[0041] 为了方便理解，下面对该空气阴极的各个部分进行详细描述。
[0042] 根据本实用新型的实施例，参考图7,形成催化剂层1