一種vo2／s-ac泡沫鎳空氣陰極的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電極，特別是一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極。
【背景技術】
[0002]隨著世界人口數(shù)的持續(xù)增加，人類日益受到能源資源不足以及環(huán)境惡化的影響，因此開發(fā)新能源得到廣泛的重視，而利用可再生的生物質(zhì)能發(fā)電是一種有效的手段。微生物燃料電池(Microbial fuel cells,MFC)作為一種利用微生物代謝產(chǎn)生電能的新方法，近年來受到更多人們的關注。它是一種利用微生物作為催化劑將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，微生物可以代謝有機物質(zhì)，同時產(chǎn)生電能。但是，現(xiàn)有的微生物燃料電池普遍具有產(chǎn)電量低的缺點；同時現(xiàn)有技術中的陽極表面積一般較小，不利于微生物的大量附著，且催化效能適用面窄；現(xiàn)有技術中多采用鉑作為陰極催化劑，雖然催化效果好，但是過于昂貴。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，從而提高電量產(chǎn)量，并降低生產(chǎn)成本的一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極。
[0004]本發(fā)明采用的技術方案如下:
本發(fā)明的一種V02/ S-AC泡沫鎳空氣陰極，通過以下步驟制備而成:
步驟一:按照質(zhì)量比1:1將聚乙烯醇，聚四氟乙烯混合均勻后配制成濃度為10%的催化乳濁液，將乂02與S-AC按照質(zhì)量比2:1混合均勻，按照質(zhì)量比1:3稱取VO 2/S-AC混合物和催化乳濁液，將V02/S-AC混合物和催化乳濁液經(jīng)過超聲波混合40min，將混合溶液加熱至65 °C，持續(xù)攪拌2h破乳，得到催化層原料；
步驟二:通過壓片機將泡沫鎳壓制成0.6mm的薄片，將催化層原料均勻地刮涂于泡沫鎳上表面，隨后在壓力為70kPa，功率為100W的條件下微波反應5min，將薄片表面多余的粉末輕輕掃掉，得到覆有催化層的泡沫鎳；
步驟三:用DMF將聚二甲基硅氧烷配置成濃度為10%的溶液，按照聚二甲基硅氧烷:炭黑質(zhì)量比1:4向溶液中加入炭黑，混合均勻后，得到擴散層原料，將擴散層原料均勻涂抹在覆有催化層的泡沫鎳下表面，涂抹厚度為0.1mm,隨后放入干燥箱中在80°C的條件下烘干，得到V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極。
[0005]由于采用了上述技術方案，V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極，乂02具有較高的氧化還原催化活性，將￥02與S-AC混合作為催化層，利用化學反應將碳導電材料與催化劑構(gòu)成復合材料，增加了電化學活性電位及表面積，能夠使微生物燃料電池獲得較好的產(chǎn)電性能，為了進一步降低微生物燃料電池陰極的生產(chǎn)成本，更貼近于微生物燃料電池的實際應用，選用價格相對便宜，電導率更高的泡沫鎳作為集電體材料，在控制電極成本的前提下，獲得更高的微生物燃料電池的產(chǎn)電效率。
[0006]本發(fā)明的一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極，所述VO2/S_AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層呈納米薄片狀，所述V02/S-AC層的厚度為300nm。
[0007]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的陰極催化性能好，且釩的價格低于鉑，降低了生產(chǎn)成本；兩種催化劑復合后的外比表面積顯著提高，活性位增加，V02在活性炭表面的形成微孔結(jié)構(gòu)，大幅度增加了孔隙率，加快了物質(zhì)傳遞。
[0008]本發(fā)明的一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極，所述VO2/S_AC泡沫鎳空氣陰極表面的聚二甲基娃氧燒與炭黑的負載量為6.25mg/cm2和1.56mg/cm2。
[0009]由于采用了上述技術方案，導電性能好，增加電極的電子傳導速率。
[0010]本發(fā)明的一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極，該電極應用于基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的方法，所述基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池包括設置在外殼內(nèi)的反應器和設置在外殼外的電池正極和電池負極，所述電池正極的底部連接于反應器的一端；所述電池負極的底部連接于反應器的另一端；所述反應器包括密封殼和設置在密封殼內(nèi)的陽極和陰極，所述陽極和陰極表面附著有微生物，所述陽極與陰極之間設有離子交換膜，所述陽極與電池正極相連，所述陰極與電池負極相連，所述密封殼內(nèi)充滿介質(zhì)；所述外殼與密封殼之間充滿填充介質(zhì)；所述陽極為表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠，所述陰極為vo2/s-ac泡沫鎳空氣陰極；所述微生物為腐敗希瓦氏菌，所述介質(zhì)為對氧化三甲胺。
[0011]由于采用了上述技術方案，離子交換膜將反應器分隔成為陽極室和陰極室，在陽極室厭氧環(huán)境下，氧化三甲胺腐敗希瓦氏菌的作用下，降解產(chǎn)生三甲胺，進而生成二甲胺和甲醛等，陰極室中的氧氣在陰極的催化作用下，得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水，反應器產(chǎn)生電能，通過連接電池正極和電池負極即可形成回路，將反應器產(chǎn)生的電能釋放。
[0012]本發(fā)明的一種V02/ S-AC泡沫鎳空氣陰極，所述外殼的底部設有介質(zhì)交換器，所述介質(zhì)交換器通過通道與密封殼內(nèi)部相連通。
[0013]由于采用了上述技術方案，通過介質(zhì)交換器能夠不斷補充新的介質(zhì)進入反應器，保證電池的持續(xù)工作，延長電池的使用壽命。
[0014]本發(fā)明的一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極，所述絕緣阻燃層10包括37%乙烯基樹月旨，21%硅膠，5%塑化劑，3% 二鹽基硬脂酸鉛，5%含氧硅油，2%鉑絡合物，5%乙炔基環(huán)己醇，3%云母，9%硅氧烷低聚物和10%鄰苯二甲酸二甲酯。
[0015]由于采用了上述技術方案，該絕緣阻燃層具有防水、阻燃、耐高溫、抗化學腐蝕等特點，且質(zhì)量較輕。
[0016]本發(fā)明的一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極，離子膜交換膜包括全氟磺酸質(zhì)子膜一，全氟磺酸質(zhì)子膜一的下層覆蓋有二氧化硅層，二氧化硅的下層覆蓋有全氟磺酸質(zhì)子膜二；二氧化硅層的厚度為450nm，全氟磺酸質(zhì)子膜一表面覆有鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層，全氟磺酸質(zhì)子膜二表面覆有藻酸雙酯鈉層。
[0017]由于采用了上述技術方案，Si02表面羥基與全氟磺酸質(zhì)子膜表面的磺酸根相互作用起到了物理交聯(lián)聚合物效果，鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層和藻酸雙酯鈉層能夠?qū)崿F(xiàn)對全氟磺酸質(zhì)子膜上磺酸基團的交聯(lián)，提高了膜的含水量，使得質(zhì)子更容易自由通過，提高了離子膜的質(zhì)子傳導率和能量效率，同時避免微生物代謝產(chǎn)物對離子膜的污染，保證了離子膜的質(zhì)子傳導率，提高了電池的能量效率。
[0018]本發(fā)明的一種V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極，所述表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小為9 μπι。
[0019]由于采用了上述技術方案，三維石墨烯導電性好，生物相容性高，容易形成三維多孔的氣凝膠結(jié)構(gòu)，鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有親水性表面，降低了氧化石墨烯表面疏水性，電解液更容易浸潤，導電性較好，提高了其在陽極電解液中的反應活性面積。
[0020]本發(fā)明的一種應用上述電極的基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，包括設置在外殼內(nèi)的反應器和設置在外殼外的電池正極和電池負極，所述電池正極的底部連接于反應器的一端；所述電池負極的底部連接于反應器的另一端；所述反應器包括密封殼和設置在密封殼內(nèi)的陽極和陰極，所述陽極和陰極表面附著有微生物，所述陽極與陰極之間設有離子交換膜，所述陽極與電池正極相連，所述陰極與電池負極相連，所述密封殼內(nèi)充滿介質(zhì)；所述外殼與密封殼之間充滿填充介質(zhì)；所述陽極為表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠，所述陰極為vo2/s-ac泡沫鎳空氣陰極；所述微生物為腐敗希瓦氏菌，所述介質(zhì)為對氧化三甲胺；所述外殼的底部設有介質(zhì)交換器，所述介質(zhì)交換器通過通道與密封殼內(nèi)部相連通。
[0021]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是:
1、電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，電能產(chǎn)率高。
[0022]2、降低微生物燃料電池陽極的生產(chǎn)成本，更貼近于微生物燃料電池的實際應用，在控制電極成本的前提下，獲得更高的微生物燃料電池的產(chǎn)電效率。
[0023]3、采用了該電極的微生物燃料電池，電量產(chǎn)量得到提高，電池的電子傳導率提高，電池的安全性能高，使用壽命長。
【附圖說明】
[0024]圖1是一種應用V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極的基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是一種應用V02 / S-AC泡沫鎳空氣陰極的基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的工作原理示意圖；
圖3是表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的SEM圖；
圖4是V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層的SEM圖。
[0025]圖中標記:1為反應器，2為陽極，3為陰極，4為微生物，5為介質(zhì)，6為密封殼，7為離子交換膜，8為電池正極，9為電池負極，10為絕緣阻燃層，11為外殼，12為填充介質(zhì)，13為介質(zhì)交換器，14為通道。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。
[0027]為了使發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0028]實施例1
一種V02/ S-AC泡沫鎳空氣陰極，通過以下步驟制備而成:
步驟一:按照質(zhì)量比1:1將聚乙烯醇，聚四氟乙烯混合均勻后配制成濃度為10%的催化乳濁液，將乂02與S-AC按照質(zhì)量比2:1混合均勻，按照質(zhì)量比1:3稱取VO 2/S-AC混合物和催化乳濁液，將V02/S-AC混合物和催化乳濁液經(jīng)過超聲波混合40min，將混合溶液加熱至65 °C，持續(xù)攪拌2h破乳，得到催化層原料；
步