一種單室微生物燃料電池的空氣陰極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電化學領域，涉及一種單室微生物燃料電池的空氣陰極的制作方法。本發(fā)明的制作方法是利用碳紙或碳布作為支撐物，首先將PVDF乳液和碳黑粉末混合，將混合物均勻涂抹在支撐物的一面，干燥后高溫燒結(jié)形成碳基層，在碳基層上涂抹PVDF乳液，干燥后高溫燒結(jié)形成空氣擴散層，利用Nafion粘合劑將Pt/C結(jié)合在支撐物的另一面作為催化層，制備出新型的空氣陰極。目前普遍利用PTFE制作空氣陰極時的燒結(jié)溫度高達370℃，而本發(fā)明的工藝燒結(jié)溫度要求較低，且所用PVDF費用大約只是PTFE的三分之一。本發(fā)明制作的空氣陰極經(jīng)過理論和實際驗證，表明不僅制作成本低，而且是一種高性能的空氣陰極。
【專利說明】一種單室微生物燃料電池的空氣陰極的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學領域，涉及一種單室微生物燃料電池的空氣陰極的制作方法?！颈尘凹夹g】
[0002]微生物燃料電池是利用微生物作為催化劑將廢水中的有機質(zhì)直接氧化產(chǎn)生電流的一種裝置，它能夠在處理廢水的同時收獲電能，可以降低廢水處理的成本，為解決能源和環(huán)境污染問題提供了一條可行之路。
[0003]目前，微生物燃料電池大多采用單室結(jié)構(gòu)，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，產(chǎn)電效率高、直接利用空氣中的氧氣作為電子受體等特點，使微生物燃料電池的實際應用成為可能。單室微生物燃料電池的空氣陰極是影響產(chǎn)電的一個重要因素，目前普遍利用PTFE作為粘合劑和擴散層制作空氣陰極，但利用這種高聚物制作空氣陰極成本較高。本發(fā)明開發(fā)出了一種比PTFE制作成本低的空氣陰極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種制作方法簡單、材料成本低、產(chǎn)電效率高的單室微生物燃料電池的空氣陰極的制作方法。
[0005]本發(fā)明是利用高溫聚合原理制備空氣陰極。在本發(fā)明中由于聚偏氟乙烯(PVDF)高溫聚合形成的疏水層，一方面阻擋了陽極液的漏水，避免陽極液減少；另一方面允許空氣中的氧氣進入催化層接受電子，所以能使產(chǎn)電順利進行。
[0006]本發(fā)明的單室微生物燃料電池的空氣陰極的制作方法包括以下步驟:
[0007](I)將清洗干凈(可將支撐物用丙酮浸泡(一般浸泡的時間為4小時左右)，然后用去離子水清洗)并晾干后的支撐物，于溫度為400°C中進行熱處理(熱處理的時間一般為I小時);
[0008](2)以每平方厘米的支撐物用I?1.56mg的碳黑粉末，及每毫克的碳黑粉末用10 μ L質(zhì)量濃度為18%的聚偏氟乙烯(PVDF)乳液的配比，稱取碳黑粉末和質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液并將二者混合得到糊狀混合物；
[0009](3)將步驟(2)得到的糊狀混合物均勻涂布在步驟(I)所得的支撐物的一個表面上，空氣中干燥后(一般干燥的時間為2小時)，于溫度為200?350°C (優(yōu)選溫度為250°C )中進行燒結(jié)(一般燒結(jié)的時間為20分鐘)，在支撐物的一表面得到碳基層；
[0010](4)按每平方厘米的碳基層用5 μ L質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液的配比，將質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液均勻涂布到步驟(3)得到的碳基層的表面，空氣干燥后(一般干燥的時間為30分鐘)，于溫度為200?350°C (優(yōu)選溫度為250°C )中進行燒結(jié)(一般燒結(jié)的時間為5分鐘)，在碳基層的表面形成空氣PVDF擴散層；
[0011](5)按每平方厘米的空氣PVDF擴散層用0.2mg的Pt/C催化劑的配比，稱取Pt/C，按Pt/C:碳黑粉末的重量比為1:3的配比稱取碳黑粉末，將Pt/C與碳黑粉末混合均勻，得到Pt/C與碳黑粉末的混合物；[0012](6)按每毫克步驟(5)得到的Pt/C與碳黑粉末的混合物中加入0.83 μ L的去離子水、6.67 μ L質(zhì)量濃度為5%的全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物(Nafion)水溶液和3.33 μ L的異丙醇分散劑的配比，向步驟(5)得到的Pt/C與碳黑粉末的混合物中依次加入去離子水、質(zhì)量濃度為5%的Naf ion水溶液和異丙醇，混合均勻得到混合物；然后將得到的混合物均勻涂布(可用刷子)在步驟(4)所得支撐物另一沒有空氣PVDF擴散層的表面，干燥(一般干燥的時間為24小時)，得到單室微生物燃料電池的空氣陰極。
[0013]所述的在支撐物的一表面得到碳基層的步驟(3)可重復I次。
[0014]所述的在碳基層的表面形成空氣PVDF擴散層的步驟(4 )可重復多次。
[0015]所述的支撐物是碳紙或碳布。
[0016]所述的碳黑粉末是乙炔黑粉末。
[0017]所述的Pt/C催化劑中的Pt的質(zhì)量濃度為10?50%。
[0018]本發(fā)明是針對目前普遍利用PTFE作為擴散層制作空氣陰極的方法所存在的缺陷，從而提出了一種制作成本低、利用PVDF代替PTFE作為擴散層制作空氣陰極的方法。本發(fā)明的方法是利用碳紙或碳布作為支撐物，首先將PVDF乳液(可由制備PVDF時直接得到)和碳黑粉末混合，將混合物均勻涂抹在支撐物的一面，干燥后高溫燒結(jié)形成碳基層，在碳基層上涂抹PVDF乳液，干燥后高溫燒結(jié)形成空氣擴散層，利用Nafion粘合劑將Pt/C結(jié)合在支撐物的另一面作為催化層，制備出新型的空氣陰極。目前普遍利用PTFE制作空氣陰極時的燒結(jié)溫度高達370°C，而本發(fā)明的工藝燒結(jié)溫度要求較低，且PVDF費用大約只是PTFE的三分之一。本發(fā)明制作的空氣陰極經(jīng)過理論和實際驗證，表明不僅制作成本低，而且是一種高性能的空氣陰極。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有利用PTFE作為粘合劑和擴散層制作空氣陰極的技術相比，本發(fā)明的制作方法簡單、材料成本低、產(chǎn)電效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1.本發(fā)明實施例1、2及對比例1、2中的四種空氣陰極的LSV曲線。
[0021]圖2.本發(fā)明實施例1、2及對比例1、2中的四種空氣陰極所構(gòu)建的單室微生物燃料電池的電壓曲線。
[0022]圖3.本發(fā)明的單室微生物燃料電池的空氣陰極的制備工藝流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面通過具體實施例對本發(fā)明的制作方法進行說明，但本發(fā)明并不局限于此。
[0024]下述實施例中所述的實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
[0025]實施例1
[0026](I)將碳布用丙酮浸泡4小時左右，然后用去離子水清洗并晾干后于溫度為400°C中進行熱處理I小時；
[0027](2)以每平方厘米的碳布用1.56mg的乙炔黑粉末，及每毫克的乙炔黑粉末用10 μ L質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液的配比，稱取乙炔黑粉末和質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液并將二者混合得到糊狀混合物；[0028](3)將步驟(2)得到的糊狀混合物均勻涂布在步驟(I)所得的碳布的一個表面上，空氣中干燥2小時，于溫度為250°C中進行燒結(jié)20分鐘，在碳布的一表面得到碳基層；在得到的碳基層的表面再重復涂布上述步驟(2)得到的糊狀混合物及干燥并燒結(jié)的步驟I次；
[0029](4)按每平方厘米的碳基層用5 μ L質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液的配比，將質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液均勻涂布到步驟(3)得到的碳基層的表面，空氣干燥30分鐘，于溫度為250°C中進行燒結(jié)5分鐘，在碳基層的表面形成空氣PVDF擴散層；在得到的空氣PVDF擴散層的表面再重復涂布上述質(zhì)量濃度為18%的PVDF乳液及干燥并燒結(jié)的步驟3次；
[0030](5)按每平方厘米的空氣PVDF擴散層用0.2mg的Pt/C催化劑(Pt/C催化劑中的Pt的質(zhì)量濃度為40%)的配比，稱取Pt/C，按Pt/C:乙炔黑粉末的重量比為1:3的配比稱取乙炔黑粉末，將Pt/C與乙炔黑粉末混合均勻，得到Pt/C與乙炔黑粉末的混合物；
[0031](6)按每毫克步驟(5)得到的Pt/C與乙炔黑粉末的混合物中加入0.83 μ L的去離子水、6.67 μ L質(zhì)量濃度為5%的Nafion水溶液和3.33 μ L的異丙醇分散劑的配比，向步驟
(5)得到的Pt/C與乙炔黑粉末的混合物中依次加入去離子水、質(zhì)量濃度為5%的Nafion水溶液和異丙醇，混合均勻得到混合物；然后將得到的混合物用刷子均勻涂布在步驟(4)所得碳布另一沒有空氣PVDF擴散層的表面，干燥24小時，得到單室微生物燃料電池的空氣陰極。
[0032]對得到單室微生物燃料電池的空氣陰極進行O2擴散性能測試、氧還原活性測定和實際產(chǎn)電性能鑒定，結(jié)果分別見表1、圖1和圖2。
[0033]實施例2
[0034]基本與實施例1相同，只是將實施例1中的支撐物碳布改成碳紙，將步驟(2)中的1.56mg的乙炔黑粉末改為1.0Omg的乙炔黑粉末，得到單室微生物燃料電池的空氣陰極。
[0035]對得到單室微生物燃料電池的空氣陰極進行O2擴散性能測試、氧還原活性測定和實際產(chǎn)電性能鑒定，結(jié)果分別見表1、圖1和圖2。
[0036]對比例I
[0037](I)將碳布用丙酮浸泡4小時左右，然后用去離子水清洗并晾干，然后于溫度為400°C中進行熱處理I小時；
[0038](2)以每平方厘米的碳布用1.56mg的乙炔黑粉末，及每毫克的乙炔黑粉末用12 μ L質(zhì)量濃度為40%的PTFE乳液的配比，稱取乙炔黑粉末和質(zhì)量濃度為40%的PTFE乳液并將二者混合得到糊狀混合物；
[0039](3)將步驟(2)得到的糊狀混合物均勻涂布在步驟(I)所得的碳布的一個表面上，空氣中干燥2小時，于溫度為370°C中進行燒結(jié)30分鐘，在碳布的一表面得到碳基層；
[0040](4)按每平方厘米的碳基層用8 μ L質(zhì)量濃度為60%的PTFE乳液的配比，將質(zhì)量濃度為60%的PTFE乳液均勻涂布到步驟(3)得到的碳基層的表面，空氣干燥30分鐘，于溫度為370°C中進行燒結(jié)5分鐘，在碳基層的表面形成空氣PTFE擴散層；在得到的空氣PTFE擴散層的表面再重復涂布上述質(zhì)量濃度為60%的PTFE乳液及干燥并燒結(jié)的步驟3次；
[0041](5)按每平方厘米的空氣PTFE擴散層用0.2mg的Pt/C催化劑(Pt/C催化劑中的Pt的質(zhì)量濃度為40%)的配比，稱取Pt/C，按Pt/C:乙炔黑粉末的重量比為1:3的配比稱取乙炔黑粉末，將Pt/C與乙炔黑粉末混合均勻，得到Pt/C與乙炔黑粉末的混合物；
[0042](6)按每毫克步驟(5)得到的Pt/C與乙炔黑粉末的混合物中加入0.83 μ L的去離子水、6.67 μ L質(zhì)量濃度為5%的Nafion水溶液和3.33 μ L的異丙醇分散劑的配比，向步驟
(5)得到的Pt/C與乙炔黑粉末的混合物中依次加入去離子水、質(zhì)量濃度為5%的Nafion水溶液和異丙醇，混合均勻得到混合物；然后將得到的混合物用刷子均勻涂布在步驟(4)所得碳布另一沒有空氣PTFE擴散層的表面，干燥24小時，得到單室微生物燃料電池的空氣陰極。
[0043]對得到單室微生物燃料電池的空氣陰極進行O2擴散性能測試、氧還原活性測定和實際產(chǎn)電性能鑒定，結(jié)果分別見表1、圖1和圖2。
[0044]對比例2
[0045]基本與對比例I相同，只是將對比例I中的支撐物碳布改成碳紙，將步驟(2)中的
1.56mg的乙炔黑粉末改為1.0Omg的乙炔黑粉末，得到單室微生物燃料電池的空氣陰極。
[0046]對得到單室微生物燃料電池的空氣陰極進行O2擴散性能測試、氧還原活性測定和實際產(chǎn)電性能鑒定，結(jié)果分別見表1、圖1和圖2。
[0047]表1.空氣陰極O2擴散系數(shù)
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種單室微生物燃料電池的空氣陰極的制作方法，其特征是，所述的制作方法包括以下步驟: (1)將清洗干凈并晾干后的支撐物，于溫度為400°c中進行熱處理； (2)以每平方厘米的支撐物用I?1.56mg的碳黑粉末，及每毫克的碳黑粉末用IOyL質(zhì)量濃度為18%的聚偏氟乙烯乳液的配比，稱取碳黑粉末和質(zhì)量濃度為18%的聚偏氟乙烯乳液并將二者混合得到糊狀混合物； (3)將步驟(2)得到的糊狀混合物均勻涂布在步驟(I)所得的支撐物的一個表面上，空氣干燥后，于溫度為200?350°C中進行燒結(jié)，在支撐物的一表面得到碳基層； (4)按每平方厘米的碳基層用5μL質(zhì)量濃度為18%的聚偏氟乙烯乳液的配比，將質(zhì)量濃度為18%的聚偏氟乙烯乳液均勻涂布到步驟(3)得到的碳基層的表面，空氣干燥后，于溫度為200?350°C中進行燒結(jié)，在碳基層的表面形成空氣聚偏氟乙烯擴散層； (5)按每平方厘米的空氣聚偏氟乙烯擴散層用0.2mg的Pt/C催化劑的配比，稱取Pt/C，按Pt/C:碳黑粉末的重量比為1:3的配比稱取碳黑粉末，將Pt/C與碳黑粉末混合均勻，得到Pt/C與碳黑粉末的混合物； (6)按每毫克步驟(5)得到的Pt/C與碳黑粉末的混合物中加入0.83 μ L的去離子水、6.67 μ L質(zhì)量濃度為5%的全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物水溶液和3.33 μ L的異丙醇分散劑的配比，向步驟(5)得到的Pt/C與碳黑粉末的混合物中依次加入去離子水、質(zhì)量濃度為5%的全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物水溶液和異丙醇，混合均勻得到混合物；然后將得到的混合物均勻涂布在步驟(4)所得支撐物另一沒有空氣聚偏氟乙烯擴散層的表面，干燥，得到單室微生物燃料電池的空氣陰極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是:所述的在支撐物的一表面得到碳基層的步驟(3)重復I次。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是:所述的在碳基層的表面形成空氣聚偏氟乙烯擴散層的步驟(4)重復多次。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征是:步驟(3)所述的燒結(jié)的時間為20分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制作方法，其特征是:步驟(4)所述的燒結(jié)的時間為5分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征是:所述的燒結(jié)的溫度為250°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征是:所述的燒結(jié)的溫度為250°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是:所述的支撐物是碳紙或碳布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是:所述的碳黑粉末是乙炔黑粉末。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是:所述的Pt/C催化劑中的Pt的質(zhì)量濃度為10?50%。
【文檔編號】H01M4/88GK103730667SQ201410018026
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】沈建權(quán), 邱昭政, 韋麗玲, 蘇敏, 賈奇博 申請人:中國科學院化學研究所