熱約12分鐘，使PTFE層固化，加熱完成后取出，冷卻至室溫，PTFE層變 為灰白色。重復(fù)以上步驟，直至PTFE層涂完4層為止。用模具和錘子將碳布加工成兩片直 徑為3. 8cm的圓形。
[0106] (3)涂布催化層。每個陰極稱取60mg含鉑量為10質(zhì)量％的鉑碳粉（C1-10 10% wt.PtonCarbonBlackVulcanXC-72R，BASFFuelCellInc，美國），放入 10mL離心管 內(nèi)，加入50yL的去尚子水和6~8個玻璃珠，振蕩器振蕩約20s。再加入400yLNafion 溶液和200μL高純異丙醇，振蕩器振蕩約20s。用畫筆刷涂布催化層于碳布中不含有碳基 層和擴散層的一側(cè)，涂布完成后自然風(fēng)干至少24小時。
[0107] 電化學(xué)半電池測試
[0108] 下面對上述實施例制備的陰極的電化學(xué)性能進行測試。采用實施例1~7中制備 的催化劑層，按照實施例8的方法制備空氣陰極。反應(yīng)器為雙室型反應(yīng)器，兩個主體腔體由 陰離子交換膜分隔；對電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞參比電極，工作電極為待測定 的空氣陰極或者鉑碳陰極。陰極由〇型環(huán)固定，擴散層一側(cè)暴露在空氣中。采用鈦片作為 陰極引電材料。電解液為50mM的磷酸鹽緩沖溶液。50mM的磷酸緩沖溶液的配方如下表所 不。
[0109] 表1 50mM磷酸鹽緩沖溶液
[0110]
[0111] 采用線性掃描伏安法對陰極性能進行評價，開路3小時后，從起始電勢0V(參比電 極為飽和甘汞）開始測量，終點電勢為-〇. 4V(參比電極為飽和甘汞電極），以有效陰極面 積7cm2折算為電流密度。參考圖10,在-0. 3V到-0.4V相同電勢下，實施例1中20yL/ min溶液進給速率得到最大的電流密度，隨著溶液進給時間增加，電流密度逐漸增大。
[0112] 微生物燃料電池測試
[0113] 下面對根據(jù)本發(fā)明實施例的微生物燃料電池以及上述對比例中制備的微生物燃 料電池進行性能測試。該微生物燃料電池為單室型反應(yīng)器，無隔膜，陽極為碳刷，由碳纖維 絲與鈦絲組成，其中鈦絲作為集電材料，經(jīng)過450攝氏度30分鐘熱處理。陽極水平放置于反 應(yīng)器中部，陰極放置與反應(yīng)器一側(cè)，擴散層面向并暴露于空氣。采用混合菌接種，接種源為 運行一年以上的空氣型微生物燃料電池出水，最初的接種源取自污水處理廠初次沉淀池的 生活污水?；|(zhì)為中性的50mM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)，并且該基質(zhì)的化學(xué)需氧量（COD)為780mg/L。
[0114] 采用改變外阻法測定極化曲線，計算微生物燃料電池的功率密度。反應(yīng)器從 1000Ω逐步遞減運行至20Ω，在每一個阻值下，運行完整周期。
[0115] 首先，參考圖11 (a)，采用實施例2~5中制備的催化劑層，并按照實施例2中的方 法制備空氣陰極。參考圖11(a)，當進樣速率為20μL/min時，可以獲得與對比例1中制備 的鉑碳空氣陰極數(shù)值相當?shù)淖畲竺婀β拭芏?，同時參考圖12(a)與圖13(a)，當進樣速率為 20μL/min時，獲得最大的陰極電勢，與最低的陰極內(nèi)阻。然而根據(jù)本發(fā)明實施例的空氣陰 極由于具有極低的催化劑負載量，并且催化劑層中不含有鉑等貴金屬，因此成本要遠遠低 于鉑碳空氣陰極。
[0116] 采用實施例1、3、6、7中制備的催化劑層，并按照實施例8中的方法獲得空氣陰極。 參考圖11(b)，各個進樣時間獲得的空氣陰極均得到了高于對比例1的面功率密度。同時參 考圖12(b)與圖13(b)，隨著進樣時間的增長，獲得的空氣陰極電勢逐漸提高，陰極內(nèi)阻逐 漸減小，均小于對比例1中的陰極內(nèi)阻。
[0117] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不 必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任 一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技 術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié) 合和組合。
[0118] 盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例 性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述 實施例進行變化、修改、替換和變型。
【主權(quán)項】
1. 一種空氣陰極，其特征在于，包括： 催化劑層，所述催化劑層含有氮摻雜石墨烯；以及 擴散層。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣陰極，其特征在于，進一步包括： 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散層設(shè)置在所述集電層的同一側(cè)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣陰極，其特征在于，進一步包括： 支撐層，所述支撐層設(shè)置在所述擴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， 任選地，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 離所述集電層的一側(cè)，所述擴散層形成在所述支撐層遠離所述催化劑層的一側(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣陰極，其特征在于，所述催化劑層中不含粘結(jié)劑， 任選地，所述催化劑層中，所述氮摻雜石墨稀的負載量不大于2. 5μg/cm2， 任選地，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載 在所述金屬基底上。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣陰極，其特征在于，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)體的供給時間為2~ 60分鐘，以便在所述金屬基底上負載所述氮摻雜石墨烯，進而獲得所述催化劑層。6. -種制備空氣陰極的方法，其特征在于，包括： (1) 在金屬基底上負載氮摻雜石墨烯，以便獲得催化劑層；以及 (2) 在所述催化劑層的一側(cè)設(shè)置擴散層，以便獲得所述空氣陰極。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，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)體的供給時間為2~60分鐘，以便 在所述金屬基底上負載所述氮摻雜石墨烯，進而獲得所述催化劑層， 所述擴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 物進行成型處理，以便獲得所述擴散層。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在設(shè)置所述擴散層之前，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散層設(shè)置在所述集電層的同一側(cè)， 任選地，所述方法進一步包括：設(shè)置支撐層，所述支撐層設(shè)置在所述擴散層以及所述催 化劑層之間，所述支撐層是由不銹鋼形成的。9. 一種微生物燃料電池，其特征在于，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 權(quán)利要求1~5任一項所述的空氣陰極，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。10. 權(quán)利要求9所述的微生物燃料電池在處理水性介質(zhì)中的用途。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種空氣陰極。該空氣陰極包括：催化劑層，所述催化劑層含有氮摻雜石墨烯；以及擴散層。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，并且該空氣陰極制備過程簡便，催化劑層無需添加粘結(jié)劑進行揉壓成型，進而可以提高該空氣陰極的電極性能。
【IPC分類】H01M4/88, H01M4/86
【公開號】CN105355926
【申請?zhí)枴緾N201510728798
【發(fā)明人】張瀟源, 王秋瑩, 呂瑞濤, 黃霞, 梁鵬, 陳熹
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月30日