空氣陰極、空氣陰極制備方法和微生物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境、材料、能源領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及空氣陰極、制備空氣陰極的 方法、微生物燃料電池以及微生物燃料電池在處理水性介質(zhì)中的用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境問題與能源問題是當(dāng)代社會(huì)發(fā)展面臨的兩大難題，凈化污水的同時(shí)兼顧能源 回收是污水處理技術(shù)面對(duì)的新挑戰(zhàn)。微生物燃料電池是一種新興的污水處理技術(shù)，能夠在 處理污水的同時(shí)將污染物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，利用附著在陽極的產(chǎn)電微生物將污水中 的有機(jī)物氧化，同時(shí)陰極接受電子完成氧還原反應(yīng)。在微生物燃料電池的陰極中，空氣陰極 由于能夠?qū)崿F(xiàn)空氣中氧氣的直接擴(kuò)散、傳質(zhì)，并節(jié)省了大量的曝氣能耗而受到了廣泛關(guān)注。
[0003] 然而，目前用于微生物燃料電池的空氣陰極以及微生物燃料電池的催化效率以及 電池性能仍有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本申請(qǐng)是基于發(fā)明人對(duì)以下事實(shí)和問題的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)作出的：
[0005] 目前的空氣陰極中，普遍存在制備過程復(fù)雜的問題，通常需要將電極材料進(jìn)行多 次揉壓或涂刷等操作以便使其成型。并且由于制備過程復(fù)雜，在制備催化劑層時(shí)通常需要 較大的催化劑材料負(fù)載量，以便滿足空氣陰極的制備過程中的需求以及空氣陰極本身對(duì)于 催化性能的要求。發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這是由于構(gòu)成催化劑層的材料 多是粉末狀材料，因此需要在制備空氣陰極的過程對(duì)其進(jìn)行一系列成型處理，才能夠?qū)⒃?粉末狀材料復(fù)合到空氣陰極中。此外，在制備催化劑層的過程中需要添加粘結(jié)劑以便增強(qiáng) 催化劑層材料的接觸，并且能夠更好地通過揉壓、直壓、涂刷等方法進(jìn)行成型處理。然而，上 述粘結(jié)劑材料通常為電子的絕緣體，因此粘結(jié)劑的添加也會(huì)對(duì)空氣陰極的導(dǎo)電性能造成一 定影響。
[0006] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0007] 在本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提出了一種空氣陰極。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該空氣 陰極包括：催化劑層，所述催化劑層所述催化劑層含有氮摻雜石墨烯；以及擴(kuò)散層。由此， 可以由氮摻雜石墨烯為該空氣陰極提供具有良好催化性能的催化劑層，并且該空氣制備過 程簡(jiǎn)便，催化劑層無需添加粘結(jié)劑進(jìn)行揉壓成型，進(jìn)而可以提高該空氣陰極的電極性能。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該空氣陰極還可以進(jìn)一步具有下列附加技術(shù)特征至少之
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該空氣陰極進(jìn)一步包括：集電層，其中，所述集電層是由不 銹鋼形成的，所述集電層設(shè)置在所述擴(kuò)散層以及所述催化劑層之間，或者所述催化劑層以 及所述擴(kuò)散層設(shè)置在所述集電層的同一側(cè)。由此，可以通過集電層增強(qiáng)該空氣陰極的導(dǎo)電 性能，進(jìn)而進(jìn)一步提高該空氣陰極的性能。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該空氣陰極進(jìn)一步包括：支撐層，所述支撐層設(shè)置在所述擴(kuò) 散層以及所述催化劑層之間，所述支撐層是由不銹鋼形成的。由此，可以為該空氣陰極提供 可靠的支撐。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述催化劑層形成在所述集電層的一側(cè)，所述支撐層形成 在所述催化劑層遠(yuǎn)離所述集電層的一側(cè)，所述擴(kuò)散層形成在所述支撐層遠(yuǎn)離所述催化劑層 的一側(cè)。由此，可以通過集電層以及支撐層為催化劑層和擴(kuò)散層提供良好的支撐以及保護(hù)， 同時(shí)提高該空氣陰極的電極導(dǎo)電性，進(jìn)而可以進(jìn)一步提高該空氣陰極的電極性能。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該空氣陰極中，所述催化劑層中不含粘結(jié)劑。由此，可以提 高催化劑層的導(dǎo)電性能，進(jìn)而進(jìn)一步提高該空氣陰極的電極性能。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在該空氣陰極中，所述催化劑層中，所述氮摻雜石墨烯的負(fù) 載量不大于2.5μg/cm2。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空氣陰極中，可以在催化劑層 催化活性成分含量較少的前提下達(dá)到較好的催化效果，從而，節(jié)省了該空氣陰極的生產(chǎn)成 本，并保證了該空氣陰極的電極性能不受影響。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述催化劑層包括所述催化劑層包括金屬基底以及所述氮 摻雜石墨烯，所述氮摻雜石墨烯負(fù)載在所述金屬基底上。由此，可以將含有氮摻雜石墨烯的 金屬基底直接作為催化劑層，進(jìn)而避免了復(fù)雜的成型操作，并且由于該催化劑層中含有金 屬基底，進(jìn)而進(jìn)一步提高了催化劑層的導(dǎo)電性能，進(jìn)而可以進(jìn)一步提高該空氣陰極的電極 性能。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該空氣陰極中，所述催化劑層是通過下列步驟形成的：將含 有所述金屬基底的石英舟置于密閉的反應(yīng)空間中，其中，所述金屬基底包括鎳網(wǎng)以及泡沫 鎳的至少之一；在250~300攝氏度下，向所述反應(yīng)空間中通入惰性氣體，以便排出所述反 應(yīng)空間中的空氣；將所述反應(yīng)空間中的溫度升高至800~1200攝氏度，同時(shí)向所述反應(yīng)空 間中通入氫氣，所述氫氣與所述惰性氣體的流量比為1:40~1:1000 ;以及向所述反應(yīng)空間 中供給液態(tài)前驅(qū)體，所述液態(tài)前驅(qū)體包括選自乙腈、吡啶以及吡咯的至少之一，所述液態(tài)前 驅(qū)體的流速為2~1000μ1/min，所述液態(tài)前驅(qū)體的供給時(shí)間為2~60分鐘，以便在所述金 屬基底上負(fù)載所述氮摻雜石墨烯，進(jìn)而獲得所述催化劑層。由此，可以簡(jiǎn)便地獲得帶有鎳網(wǎng) 的氮摻雜石墨烯，進(jìn)而可以進(jìn)一步提高該空氣陰極的電極性能。
[0016] 在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出了一種制備空氣陰極的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí) 施例，該方法包括：（1)在金屬基底上負(fù)載氮摻雜石墨烯，以便獲得催化劑層；以及（2)在所 述催化劑層的一側(cè)設(shè)置擴(kuò)散層，以便獲得所述空氣陰極。由此，可以提高利用該方法制備空 氣陰極的效率以及效果。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法還可以進(jìn)一步具有以下附加技術(shù)特征至少之一：
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述催化劑層是通過以下步驟形成的：將含有所述金屬基 底的石英舟置于密閉的反應(yīng)空間中，其中，所述金屬基底包括鎳網(wǎng)以及泡沫鎳的至少之一； 在250~300攝氏度下，向所述反應(yīng)空間中通入惰性氣體，以便排出所述反應(yīng)空間中的空 氣；將所述反應(yīng)空間中的溫度升高至800~1200攝氏度，同時(shí)向所述反應(yīng)空間中通入氫氣， 所述氫氣與所述惰性氣體的流量比為1:40~1:1000 ;以及向所述反應(yīng)空間中供給液態(tài)前 驅(qū)體，所述液態(tài)前驅(qū)體包括選自乙腈、吡啶以及吡咯的至少之一，所述液態(tài)前驅(qū)體的流速為 2~1000μ1/min，所述液態(tài)前驅(qū)體的供給時(shí)間為2~60分鐘，以便在所述金屬基底上負(fù)載 所述氮摻雜石墨烯，進(jìn)而獲得所述催化劑層，所述擴(kuò)散層是通過以下步驟形成的：取質(zhì)量比 為2:3的碳黑以及聚四氟乙烯混合物，加入乙醇并在80攝氏度水浴中超聲10~30分鐘至 形成粘稠狀混合物；將所述粘稠狀混合物進(jìn)行成型處理，以便獲得所述擴(kuò)散層。由此，可以 提高利用該方法制備空氣陰極的效率以及效果。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在設(shè)置所述擴(kuò)散層之前，預(yù)先設(shè)置集電層，所述集電層是由 不銹鋼形成的，其中，所述集電層設(shè)置在所述擴(kuò)散層以及所述催化劑層之間，或者所述催化 劑層以及所述擴(kuò)散層設(shè)置在所述集電層的同一側(cè)。由此，可以進(jìn)一步提高利用該方法制備 的空氣陰極的效率以及效果。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法進(jìn)一步包括：設(shè)置支撐層，所述支撐層設(shè)置在所述擴(kuò) 散層以及所述催化劑層之間，所述支撐層是由不銹鋼形成的。由此，可以進(jìn)一步提高利用該 方法制備的空氣陰極的效率以及效果。
[0021] 在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提出了一種微生物燃料電池。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例， 該微生物燃料電池包括：殼體，所述殼體中限定出反應(yīng)空間；陽極，所述陽極設(shè)置在所述反 應(yīng)空間中；產(chǎn)電微生物，所述產(chǎn)電微生物附著在所述陽極的外表面；以及前面所述的空氣 陰極，所述空氣陰極設(shè)置在所述反應(yīng)空間中，并且所述空氣陰極與所述陽極電連接。由此， 可以提高利用該空氣陰極作為電池陰極的微生物燃料電池的使用效果。
[0022] 在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提出了前面描述的微生物燃料電池在處理水性介質(zhì) 中的用途。由此，可以利用上述微生物燃料電池處理例如污水等水性介質(zhì)，進(jìn)而可以提高污 水處理的效率以及效果。
【附圖說明】
[0023] 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的催化劑層的掃描電子顯微鏡照片；
[0029] 圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的催化劑層的掃描電子顯微鏡照片；
[0030] 圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮摻雜石墨烯的拉曼光譜圖以及分析圖；
[0031] 圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的氮摻雜石墨烯的X射線光電子能譜（XPS)測(cè) 試結(jié)果圖；
[0032] 圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的空氣陰極電化學(xué)線性掃描伏安曲線；
[0033] 圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微生