电化学系统、阴极、电池技术方案

本实用新型专利技术公开了电化学系统、阴极、电池。具体的，本实用新型专利技术涉及一种电化学系统，包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；以及模块化电极组件，所述模块化电极组件设置在所述反应空间中，所述模块化电极组件进一步包括：中空式阴极插槽，所述中空式阴极插槽包括：多个空气阴极，所述多个空气阴极设置在所述中空式阴极插槽的侧壁上，所述空气阴极包括多个子阴极，所述子阴极包括含有原子级分散金属催化剂的催化剂层；阳极，所述阳极与所述空气阴极电连接。由此，该空气阴极的催化活性好、金属利用率高、成本低廉；可以简便地制备面积较大的空气阴极；将多个空气阴极以及阳极整合在同一反应空间中，进一步提高了该电化学系统的产电性能。

【技术实现步骤摘要】
电化学系统、阴极、电池
本技术涉及环境、材料、能源领域。具体地，涉及电化学系统、阴极、电池。
技术介绍
环境问题与能源问题是当代社会发展面临的两大难题，净化污水的同时兼顾能源回收是污水处理技术面对的新挑战。以微生物燃料电化学系统为典型代表的生物电化学系统是一种新兴的污水处理技术，能够在处理污水的同时将污染物中的化学能转化为电能，利用附着在阳极的产电微生物将污水中的有机物氧化，同时阴极接受电子完成氧还原反应。然而，目前的电化学系统的性能仍有待提高。
技术实现思路
本技术是基于专利技术人对于以下事实和问题的发现和认识做出的：专利技术人发现，目前的电化学系统普遍存在产电性能较差且生产成本较高的问题。专利技术人通过深入研究以及大量实验发现，这是由电化学系统中，阴极的催化剂催化效率较差且成本较高造成的。特别是在生物电化学系统中，阴极的氧还原反应是限制生物电化学系统的产电性能的关键因素之一，氧还原反应主要是由阴极催化剂来驱动的，而目前用于阴极的催化剂成本较高且催化效率较差，例如，传统的阴极采用铂碳作为催化剂，铂价格昂贵、资源稀缺，而且在长期运行阴极被污染时，其催化性能明显退化。并且，专利技术人还发现，目前的电化学系统，普遍只含有一个空气阴极以及一个阳极，其在运行过程中，整体的产电效率有限。并且，在实际工业应用中，制作一整块面积较大的空气阴极时，较难保证其表面的平整性以及使用性能。因此，如果能提出催化效率高、催化性能稳定并且成本低廉的空气阴极催化剂以及空气阴极，使其在电化学系统以及生物电化学系统中发挥较好的催化作用，并且设计出新的空气阴极以及电化学系统的结构将能在很大程度上解决上述问题。本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。在本技术的一个方面，本技术提出了一种电化学系统。具体的，该电化学系统包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；以及模块化电极组件，所述模块化电极组件设置在所述反应空间中，所述模块化电极组件进一步包括：中空式阴极插槽，所述中空式阴极插槽包括：多个空气阴极，所述多个空气阴极设置在所述中空式阴极插槽的侧壁上，所述空气阴极包括多个子阴极，所述子阴极包括含有原子级分散金属催化剂的催化剂层；阳极，所述阳极与所述空气阴极电连接。由此，该空气阴极的催化活性好、金属利用率高、成本低廉等；通过设置多个子阴极，可以简便地制备面积较大的空气阴极，且制得的空气阴极表面平整性高，性能良好；该电化学系统还通过设置模块化电极组件，将多个空气阴极以及阳极有机整合在同一个反应空间中，进一步提高了该电化学系统的产电性能。具体的，所述中空式阴极插槽包括多个所述侧壁以及底面，多个所述侧壁以及所述底面在所述中空式阴极插槽内部限定出中空空间，所述侧壁靠近所述中空空间的一侧与大气接触。由此，可以在将多个空气阴极整合在同一个中空空间的情况下，保证每个空气阴极与空气充分接触反应，进一步提高了电化学系统的产电性能。具体的，所述阳极设置在所述中空式阴极插槽以及所述壳体之间。由此，进一步提高了电化学系统的使用效果。具体的，所述模块化电极组件进一步包括：阳极插槽，所述阳极设置在所述阳极插槽的侧壁上。由此，阳极插槽可以简便地进行拆卸，便于对阳极进行更换，并且，当该系统中设置有多个阳极时，可以简便地将多个阳极设置在同一个阳极插槽中，进一步提高了电化学系统的使用效果。具体的，多个所述子阴极并联或串联。由此，多个子阴极的连接方式多样，可以根据需要进行组合，以便形成空气阴极，进一步提高了电化学系统的使用效果。具体的，所述空气阴极进一步包括导电支撑架，所述多个子阴极直接设置在所述导电支撑架上，所述导电支撑架与所述阳极电连接。由此，可以简便地令多个子阴极均与阳极电连接，进一步提高了电化学系统的使用效果。具体的，所述空气阴极进一步包括多个导线，所述多个导线与所述多个子阴极一一对应连接，并且所述多个导线均与所述阳极电连接。由此，可以简便地令多个子阴极均与阳极电连接，进一步提高了电化学系统的使用效果。具体的，所述阳极为碳刷、碳布、碳纸、碳毡、活性炭、石墨中的至少之一。当该电化学系统为生物电化学系统时，所述阳极可以提高微生物的附着能力，并可进一步节省该电化学系统的成本。具体的，所述阳极为面状电极，所述电化学系统进一步包括：隔膜，所述隔膜设置在所述空气阴极以及所述阳极之间。由此，所述隔膜可以减缓空气阴极的污染速率，进一步提高了电化学系统的产电性能。具体的，所述催化剂层包括原子级分散Co催化剂、原子级分散Fe催化剂或者原子级分散Ni催化剂。由此，该原子级分散金属催化剂的种类较多，来源广泛，进一步提高了空气阴极的使用性能。在本技术的另一方面，本技术提出了一种阴极。具体的，该阴极包括：催化剂层，所述催化剂层包括原子级分散金属催化剂；集电层；以及扩散层。由此，采用原子级分散金属催化剂催化该阴极中的氧还原反应，不仅具有催化活性好、金属利用率高、成本低廉等优点，而且当该阴极用于电化学系统时，可以提高电子利用率，进而提升了电化学系统的产电性能。在本技术的又一方面，本技术提出了一种电池。具体的，该电池包括：前面所述的阴极；以及阳极，所述阳极与所述阴极电连接。由此，该电池具有前面所述的阴极所具有的全部特征以及优点，并且该电池产电效率高，运行稳定性较好。附图说明本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1显示了根据本技术一个实施例的电化学系统的结构示意图；图2显示了根据本技术一个实施例的子阴极的结构示意图；图3显示了根据本技术另一个实施例的子阴极的结构示意图；图4显示了根据本技术又一个实施例的子阴极的结构示意图；图5显示了根据本技术又一个实施例的子阴极的结构示意图；图6显示了根据本技术一个实施例的空气阴极的结构示意图；图7显示了根据本技术另一个实施例的空气阴极的结构示意图图8显示了根据本技术另一个实施例的电化学系统的结构示意图；图9显示了根据本技术又一个实施例的电化学系统的结构示意图；图10显示了根据本技术又一个实施例的电化学系统的结构示意图；图11显示了根据本技术一个实施例的制备原子级分散金属催化剂的方法流程图；图12显示了根据本技术一个实施例的电池的结构示意图；图13显示了根据本技术一些具体实施例和对比例的电化学系统的产电性能测试图；图14显示了根据本技术一些具体实施例和对比例的生物电化学系统的产电性能测试图；以及图15显示了根据本技术一些具体实施例和对比例的电化学系统的运行稳定性测试图。附图标记：10：催化剂层；20：集电层；30：扩散层；40：支撑层；100：壳体；200：反应空间；300：模块化电极组件；310：中空式阴极插槽；311：侧壁；320：空气阴极；321：子阴极；322：导电支撑架；323：导线；330：阳极；350：外阻；360：阳极插槽；110：阴极；1000：电化学系统。具体实施方式下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学系统，其特征在于，包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；以及模块化电极组件，所述模块化电极组件设置在所述反应空间中，所述模块化电极组件进一步包括：中空式阴极插槽，所述中空式阴极插槽包括：多个空气阴极，所述多个空气阴极设置在所述中空式阴极插槽的侧壁上，所述空气阴极包括多个子阴极，所述子阴极包括含有原子级分散金属催化剂的催化剂层；阳极，所述阳极与所述空气阴极电连接。

【技术特征摘要】
1.一种电化学系统，其特征在于，包括：壳体，所述壳体中限定出反应空间；以及模块化电极组件，所述模块化电极组件设置在所述反应空间中，所述模块化电极组件进一步包括：中空式阴极插槽，所述中空式阴极插槽包括：多个空气阴极，所述多个空气阴极设置在所述中空式阴极插槽的侧壁上，所述空气阴极包括多个子阴极，所述子阴极包括含有原子级分散金属催化剂的催化剂层；阳极，所述阳极与所述空气阴极电连接。2.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，所述中空式阴极插槽包括多个所述侧壁以及底面，多个所述侧壁以及所述底面在所述中空式阴极插槽内部限定出中空空间，所述侧壁靠近所述中空空间的一侧与大气接触。3.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，所述阳极设置在所述中空式阴极插槽以及所述壳体之间。4.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，所述模块化电极组件进一步包括：阳极插槽，所述阳极设置在所述阳极插槽的侧壁上。5.根据权利要求1所述的电化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张潇源，徐婷，伍晖，黄凯，黄霞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：北京,11