一种单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极及其制备方法与流程

本发明属于微生物电化学的技术领域；具体涉及单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极及其制备方法。

背景技术

目前，人类社会面临着严峻的能源挑战和环境问题。微生物电化学技术的出现，为同时解决能源和环境污染提供了一种新的思路，它能将污水中的化学能转化为可以供生产使用的电能，在净化环境的同时也提供了一种绿色能源。微生物燃料电池作为该技术的重要部分，是一种能够发电的生物反应器。在微生物的作用下，有机物的电子定向移动并与指定的电子受体所结合，在这个过程中，有机物中的化学能就转化为了电能。然而，微生物燃料电池技术自身依旧存在着一些瓶颈，降低系统的成本和如何将其扩大运行是急需解决的问题。高昂的造价和复杂的加工方法正是这些问题在阴极上的体现。如何以低廉的价格获取可以扩大化生产而且功能良好的阴极，对于微生物燃料电池在未来的发展应用来说具有非常重要的意义。

单室空气阴极微生物燃料电池具有良好的产电效果和简单的构型，成为普遍认可的最具有发展前景的一种微生物燃料电池的形式。空气阴极在朝着简化结构、降低造价、简化制作工艺、规格化的方向发展。研究者们不断尝试以网状活性炭、不锈钢网、镍网等材料作为阴极基础，以mno2、聚吡咯/碳黑混合物、四甲氧基苯基卟啉钴、活性炭粉、钛基氧化铅、生物催化剂等作为阴极催化剂。各种材料价格不同，其在微生物燃料电池中的表现也大相径庭。虽然在阴极方面进行了不断地改进，但依旧存在一些缺陷，比如材料机械强度不大，阴极面积难以放大，制作流程繁琐，还有价格仍然难以在大规模应用中被接受等。因此，要实现微生物燃料电池的工业化、规模化应用，必须更进一步地改造空气阴极。

技术实现要素：

本发明目的是针对单室微生物燃料电池空气阴极造价高、工艺复杂的问题，提供一种简单有效的空气阴极及其制作方法。

为解决上述问题，本发明的单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极由催化层、不锈钢网和热塑型聚氨酯薄膜构成的一体结构，所述催化层和热塑型聚氨酯薄膜之间设置不锈钢网，所述催化层是由粉末状电容活性碳和聚四氟乙烯乳液制成的。

本发明中单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极的制备方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将粉末状电容活性碳与无水乙醇混合后超声搅拌，超声搅拌期间缓慢加入聚四氟乙烯乳液；

步骤二、然后置于水浴中超声搅拌，待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团，然后用辊压机不断辊压直至压制成薄片，制得催化层；

步骤三、将步骤一制得的催化层与不锈钢网一并放入辊压机，压制三至四次；

步骤四、然后将热塑型聚氨酯薄膜平铺于不锈钢网上，将辊压机辊筒升温，一次辊压，即制得活性炭-薄膜空气阴极。

经过步骤二的处理后不锈钢网部分压入催化层，与催化层紧密结合。

进一步地限定，上述聚四氟乙烯乳液固含量为40％～80％。

进一步地限定，上述电容活性碳粉与聚四氟乙烯乳液质量比为(4～6):1。

进一步地限定，上述热塑型聚氨酯薄膜水蒸气透过量为1000～2000g/(m²·24h)，且不透水性为1500～2500mm。

进一步地限定，上述不锈钢网的目数为40～100目。

进一步地限定，步骤一中电容活性碳粉与无水乙醇的质量比为1：(4～6)。

进一步地限定，步骤一中所述超声搅拌时间为20～40min。

进一步地限定，步骤二中水浴温度为50～70℃，超声搅拌时间为50～70min。

进一步地限定，步骤二制得催化层的厚度为0.4～0.6mm。

进一步地限定，步骤四中辊筒温度调至70℃～90℃。

本发明活性炭-薄膜空气阴极中的基本结构由催化层、电子集流体和空气扩散层三部分组成。活性炭化学性质稳定、价格低廉且具有良好的催化活性，是制作催化层的理想材料；不锈钢网是一种廉价和高强度的基础结构材料，并具有良好的导电性能，其网状结构能够使空气透过，在保证机械强度的基础上大幅降低成本，因此作为阴极电子集流体；热塑型聚氨酯薄膜具有轻薄、防水、透气的特点，可以达到空气扩散层的功能要求，且生产工艺成熟，价格极低，因此选作空气扩散层材料；采用辊压的工艺制作空气阴极可简化操作流程并缩减制作时间，提高空气阴极的制作效率。

本发明构建的活性炭-薄膜空气阴极应用于单室微生物燃料电池，在以乙酸钠为碳源的条件下，平稳输出电压为495～500mv(1000ω外电阻条件下)，最高功率密度为2.03w/m²，相比传统空气阴极的1.51w/m²提高了约34.4％。空气阴极造价从传统空气阴极的约￥12400/m²降低到￥200/m²左右，下降了约98.4％。制作时间可从传统空气阴极的约16h降低至2h左右。活性炭-薄膜空气阴极同传统空气阴极相比，具有低廉的价格和简易的加工方法，综合性能更优，更利于空气阴极的放大化和规模化生产。

附图说明

图1是本发明(实心)与传统空气阴极(空心)功率密度对比。

图2是应用实施例一组装得到的单室微生物燃料电池反应器的结构示意图；1-反应器外壳，2-阳极，3-阴极，4-导线，5-电阻，6-进水口，7-出水口。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中单室微生物燃料电池活性炭-薄膜空气阴极由催化层、不锈钢网和热塑型聚氨酯薄膜构成的一体结构，所述催化层和热塑型聚氨酯薄膜之间设置不锈钢网，所述催化层是由粉末状电容活性碳和聚四氟乙烯乳液制成的；上述阴极的制备方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将10g粉末状电容活性碳与63ml无水乙醇在超声搅拌的条件下进行混合30min，超声搅拌过程中缓慢加入1.333ml固含量为60％的聚四氟乙烯乳液；

步骤二、置于水浴中，在65℃条件下超声搅拌60min，待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团时，用辊压机不断辊压直至压制成0.5mm的薄片，即得催化层；

步骤三、将催化层与网眼目数为80目的不锈钢网(厚度大约0.5mm)一并放入辊压机压制三至四次，不锈钢网部分压入催化层，使不锈钢网与催化层紧密结合。

步骤四、将辊压机辊筒温度调至80℃，将蒸气透过量为1500g/(m²·24h)，不透水性为2000mm的热塑型聚氨酯薄膜平铺于步骤三获得薄片的不锈钢网上(形成了催化层-不锈钢网-热塑型聚氨酯薄膜三层结构)，一次辊压后即制得活性炭-薄膜空气阴极。

将本实施例得到的空气阴极应用到如图2所示的单室微生物燃料电池中，采用碳刷作为阳极，其中碳纤维作为阳极微生物附着和生长的主要场所，钛丝作为主干，先将碳纤维剪成一定长度，然后将其横向均匀铺在一根纯钛丝(直径1mm)上，碳纤维与钛丝垂直相交确保中心位于钛丝上，取另一根钛丝与第一根钛丝在竖直方向上重叠，将两根钛丝夹紧，固定钛丝一端，从另一侧顺时针或逆时针扭转两根钛丝，碳纤维被钛丝夹紧并变成螺旋状，形成圆柱状碳刷，把碳刷阳极固定到有效容积为300ml的反应器中，钛丝伸出反应器顶部。取实施例一得到的活性炭-薄膜空气阴极置于反应器一侧，催化层向内，扩散层向外，阴极处用一段钛丝将电流导出，外电路以铜质导线将阳极、1000ω电阻和阴极连接，完成单室微生物燃料电池反应器的组装。

对比实施例为传统空气阴极，制备方法按下列步骤实现：

一、将炭黑和聚四氟乙烯溶液震荡搅拌均匀后，用细毛刷均匀地涂抹在经过防水处理的碳布上，室温下置于空气中风干，放入马弗炉中以370℃烧结20min，得到炭黑-聚四氟乙烯层；

二、用细毛刷将适量60％ptfe刷在炭黑-聚四氟乙烯层同侧，室温下置于空气中风干，置于马弗炉中以370℃烧结20min，随后重复涂刷和烧结三次，得到空气扩散层；

三、将铂碳催化剂与超纯水、异丙醇、nafion溶液振荡混合均匀，用细毛刷均匀涂抹于与扩散层相对的一侧，在室温下静置12h后制得催化层，即可得到传统空气阴极。

本实施例构建的活性炭-薄膜空气阴极应用于单室微生物燃料电池系统，在以乙酸钠为碳源的条件下，平稳输出电压为495～500mv(1000ω外电阻条件下)，最高功率密度为2.03w/m²(图1)，相比传统空气阴极的1.51w/m²提高了约34.4％。空气阴极造价从传统空气阴极的约￥12400/m²降低到￥200/m²左右，下降了约98.4％。制作时间可从传统空气阴极的约16h降低至2h左右。活性炭-薄膜空气阴极同传统空气阴极相比，具有低廉的价格和简易的加工方法，综合性能更优，更利于空气阴极的放大化和规模化生产。