獲得陽極300,進而降低該微生物 燃料電池的生產(chǎn)成本。
[0072] 此外，本領域技術人員能夠理解，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，對根據(jù)本發(fā)明實 施例的微生物燃料電池進行的改進也屬于本發(fā)明的保護范圍。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實 施例，陽極300以及陰極400可以互相垂直設置；根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在陰極400 以及陽極300之間，還可以進一步具有分隔材料。由此，本領域技術人員可以根據(jù)實際情 況，對根據(jù)本發(fā)明實施例的微生物燃料電池做出相應調(diào)整，選擇更加合適的結構來組成微 生物燃料電池，只要滿足前面描述的根據(jù)本發(fā)明實施例的特征即可。
[0073] 由于該微生物燃料電池采用了前面描述的空氣陰極作為電池的陰極，因此該微生 物燃料電池具有前面描述的空氣陰極的全部特征以及優(yōu)點，在此不再贅述。
[0074] 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) 中的應用。由此，可以提高該燃料電池的使用效果。需要說明的是，在本發(fā)明中，"處理水性 介質(zhì)"是通過將水性介質(zhì)作為微生物燃料電池的電解質(zhì)實現(xiàn)的。由此，可以將根據(jù)本發(fā)明實 施例的空氣陰極作為微生物燃料電池中的陰極，并用于處理污水、脫鹽、污染修復以及制備 傳感器等。在本發(fā)明中，術語"水性介質(zhì)"可以是污水、鹽溶液、緩沖溶液或者微生物培養(yǎng)基 等。
[0075] 下面通過具體實施例對本發(fā)明進行說明，需要說明的是，下面的具體實施例僅僅 是用于說明的目的，而不以任何方式限制本發(fā)明的范圍，另外，如無特殊說明，則未具體記 載條件或者步驟的方法均為常規(guī)方法，所采用的試劑和材料均可從商業(yè)途徑獲得。X射線光 電子能譜（XPS)米用ThermoESCALAB250spectrometer獲得。
[0076] 實施例1 :制備催化劑層
[0077] 將40目鎳網(wǎng)裁剪成4cmX8cm的長方形，放入蒸餾水中超聲清洗5-10分鐘，清除 鎳網(wǎng)表面的灰塵等雜質(zhì)。將清洗后的鎳網(wǎng)卷曲成可以放入石英舟的形狀，保證鎳網(wǎng)彼此之 間無接觸，從而能與反應氣體良好接觸。將鎳網(wǎng)放置在石英舟上，石英舟與一個銅絲相連， 在銅絲末端纏繞鐵絲，將石英舟緩慢推入到反應室的中部。保證鐵絲部分留在反應室外部。 在預熱區(qū)纏繞加熱帶，設定溫度為270攝氏度。檢查反應裝置的氣密性，若氣密性良好，則 通入300mL/min的氬氣，排出裝置中的空氣。反應室爐溫設定為1000攝氏度，升溫時間為 lOOmin，升溫同時向反應室內(nèi)通入300mL/min的氬氣與20mL/min的氫氣。在反應室達到 設定溫度前30min時，調(diào)整氬氣流量為1000mL/min，氫氣流量為50mL/min，對鎳網(wǎng)進行退 火處理，還原鎳網(wǎng)表面的氧化層，同時達到晶粒均勻化的作用。達到設定溫度后，保持爐溫 和氣體流量不變，用進給栗將乙腈以20yL/min的進給速率給進到反應室中，進給時間為 20min。進給結束后，關閉進給栗。用磁鐵迅速將石英舟從高溫區(qū)拉入室溫，使鎳網(wǎng)快速冷 卻。同時將氣體流量調(diào)為氬氣300mL/min、氫氣20mL/min。待爐溫冷卻至200攝氏度以下， 打開石英管，取出樣品。
[0078] 實施例2 :制備催化劑層
[0079] 參考實施例1，不同之處在于，乙腈的進樣速率為lOyL/min，進樣時間為5分鐘。
[0080] 實施例3 :制備催化劑層
[0081] 參考實施例1，不同之處在于，乙腈的進樣速率為20μL/min，進樣時間為5分鐘。
[0082] 實施例4 :制備催化劑層
[0083] 參考實施例1，不同之處在于，乙腈的進樣速率為30μL/min，進樣時間為5分鐘。
[0084] 實施例5 :制備催化劑層
[0085] 參考實施例1，不同之處在于，乙腈的進樣速率為50μL/min，進樣時間為5分鐘。
[0086] 實施例6:制備催化劑層
[0087] 參考實施例1，不同之處在于，乙腈的進樣速率為20μL/min，進樣時間為10分鐘。
[0088] 實施例7:制備催化劑層
[0089] 參考實施例1，不同之處在于，乙腈的進樣速率為20μL/min，進樣時間為15分鐘。 [0090]圖6以及圖7為不同分辨率下實施例1~7中制備的催化劑層的掃描電鏡圖（圖 6b、圖6e、圖7b、圖7e均為實施例3中制備的催化劑層掃描電鏡照片）。參考圖6 (a-d)與 圖7 (a-d)(分別為不同分辨率下實施例2~5中制備的催化劑層的掃描電鏡照片）當進樣 時間均為5分鐘時，對比不同的乙腈進樣速率，隨著進樣速率的提升，氮摻雜石墨烯表面褶 皺增多，出現(xiàn)小顆粒團聚物，因此在進樣速率增加時，會導致制備的氮摻雜石墨烯中缺陷以 及雜質(zhì)的含量增加。參考圖6(e_h)與圖7(e_h)(分別為不同分辨率下實施例1、3、6以及 7中制備的催化劑層的掃描電鏡照片），當進樣速率均為20μL/min時，對比不同的乙腈進 樣時間，隨著進樣時間延長，氮摻雜石墨烯層厚變厚。
[0091] 參考圖8(A)，對比不同的乙腈進樣速率，采用20μL/min的進給速率獲得的氮摻 雜石墨烯在拉曼光譜中表現(xiàn)出最好的石墨烯結構，即沒有出現(xiàn)位于1300cm1左右的代表石 墨烯結構中缺陷含量的D峰，參考圖8(B)，所有進樣速率的氮摻雜石墨烯的2D峰與G峰的 比值均在0. 25到0. 35之間，代表氮摻雜石墨烯結構為多層結構。此外，參考圖8,對實施例 1中獲得的氮摻雜石墨烯進行了X射線光電子能譜測試。具體地，圖9(a)為氮摻雜石墨烯 光電子能譜圖，圖9(b)為Nls精細能譜圖。參考圖9(b)，上述氮原子在該氮摻雜石墨烯中 以石墨氮、吡咯氮以及吡啶氮存在，有利于上述三種類型氮元素通過協(xié)同作用增強該氮摻 雜碳的氧還原催化活性。
[0092] 實施例8 :制備空氣陰極
[0093] 首先，制備擴散層。擴散層上碳黑與PTFE的質(zhì)量比控制在2:3,即碳黑的負載量約 為25mg/cm2,而PTFE的負載量約為37. 5mg/cm2,按照11. 3cm2的大小稱取碳黑與PTFE，加入 適量乙醇，增加混合物粘性。在80攝氏度的水浴中超聲混合10-30min直至形成粘稠狀物 質(zhì)。粘稠狀物質(zhì)經(jīng)過揉合，在80攝氏度、小于0. 5MPa的壓力下快速揉壓，隨后以相似條件反 復揉合壓制再揉合3-5次，在80攝氏度、1. 5MPa下直壓10s。將得到的壓制后的粘稠固體 放置在50目的不銹鋼網(wǎng)（作為集電層）上，在80攝氏度、4. 5MPa的條件下保壓lmin。將 碾壓過的擴散層以及集電層放入馬弗爐中，在340攝氏度熱處理15-20min使其固化成型。 再取一個50目的不銹鋼網(wǎng)做為支撐層，將實施例1中制備的催化層，夾在集電層與支撐層 之間，直接放入反應器中壓合到一起。各層相對位置參考圖4。
[0094] 實施例9:制備空氣陰極
[0095] 參考實施例8,不同之處在于制備擴散層的過程中，將壓制后的粘稠固體直接放置 在負載了氮摻雜石墨烯的鎳網(wǎng)上，以在80攝氏度、3MPa的條件下保壓lmin。直接以鎳網(wǎng)作 為集電層與支撐層，將得到的壓制了擴散層的鎳網(wǎng)作為空氣陰極，各層間相對位置參考圖 1〇
[0096]實施例10:制備空氣陰極
[0097] 參考實施例8,不同之處在于制備空氣陰極的過程中，將負載了氮摻雜石墨烯的鎳 網(wǎng)與壓制了擴散層的不銹鋼網(wǎng)壓制在一起，其中鎳網(wǎng)面向擴散層一側，不銹鋼網(wǎng)面向空氣 一側。
[0098] 實施例11:制備微生物燃料電池
[0099]采用實施例8中制備的空氣陰極作為陰極。
[0100] 制備陽極：采用碳刷、碳布、碳纖維布或顆粒活性炭等作為陽極以及產(chǎn)電菌的附著 物，碳刷或碳布或碳纖維布在馬弗爐中450攝氏度下熱處理30min。
[0101] 將上述陽極、空氣陰極組成單室型微生物燃料電池，接種連續(xù)運行1年以上的產(chǎn) 電菌，連接外電路，測試單室型微生物燃料電池性能。采用的電解質(zhì)為中性的磷酸鹽緩沖 液，其中含有l(wèi)g/L的乙酸鈉作為底物，12. 5mL/L的礦物質(zhì)和5mL/L的維生素補充營養(yǎng)物質(zhì)。
[0102] 對比例1 :
[0103] 對比例1制備了在微生物燃料電池中應用較為廣泛的鉑碳空氣陰極（Pt)。其中， Pt陰極的催化劑為含鉬量為10質(zhì)量％的鉬碳粉（Cl-io10%wt.PtonCarbonBlack VulcanXC-72R，BASFFuelCellInc，美國），鉑碳粉負載量為 5mg/cm2，。具體地，Pt陰極 制備方法如下：
[0104] (1)涂布碳基層。將碳布剪裁為4X8cm的長方形。稱量50mg碳黑粉末，裝入10mL 離心管中，加入600μL40質(zhì)量％PTFE溶液，再加入6~8個玻璃珠，使用振蕩器振蕩均 勻，約20秒。用畫筆刷將碳黑溶漿涂布到碳布上。涂布完成后，在空氣下自然風干至少兩 個小時。之后將碳布置于溫度恒定在370攝氏度的馬弗爐中加熱約25分鐘，熱處理完成后 取出，冷卻至室溫。
[0105] (2)涂布擴散層。用畫筆刷將60質(zhì)量％PTFE溶液涂布在已經(jīng)涂布了碳基層一側 的碳布上，在空氣下風干約10分鐘，直至PTFE層完全變成白色。將碳布放到370攝氏度的 恒溫的馬弗爐內(nèi)，加