一种微生物燃料电池的空气阴极制造技术

本发明专利技术公开了一种微生物燃料电池的空气阴极，其由轻木薄片放置于加热装置中，在800±50℃的无氧氛围中烧结得到的生物炭薄片制备得到。发明专利技术的主要优点在于：制备过程不需要使用粘接剂和PTFE等物质，是一种环境无公害的生产过程；制备原料只使用了天然的轻木，是一种可再生的资源；催化剂和空气扩散通道分布在有序的孔结构中，保证了氧气与催化剂表面的充分接触反应，提高了阴极反应效率和电池整体性能。

【技术实现步骤摘要】
一种微生物燃料电池的空气阴极
本专利技术属于生物化学
，具体涉及一种微生物燃料电池的空气阴极及其制备方法。
技术介绍
微生物燃料电池是一种能够产电的生化反应装置，其基本工作原理是微生物分解有机物过程中伴随胞外释放电子，通过收集这些自由电子即可产生持续的电能。由于微生物燃料电池能够在降解多种废弃有机物的同时产生电能，被认为是一种新型的、低(无)能耗的废水处理技术，在解决水体、土壤污染等领域具有极大的应用潜力。在微生物燃料电池中，电子受体在阴极电极附近接收由阳极微生物释放的自由电子后发生还原反应。由于氧气的易获取性、清洁性(产物：水)和较高的反应过电势等优点，在众多微生物燃料电池体系中，氧气已经成为使用最为广泛的电子受体。近年来，科学家为了实现对大气中氧气的直接利用，设计出了高效节能的空气阴极电极。当前使用最广泛的空气阴极制备方法是由Logan等人提出来的(Cheng,S.A.；Logn,B.E.,ElectrochemistryCommunication,2006,8,(3),489‐494.)。该方法在透气的导电基底(如碳布、不锈钢网)两侧分别构建空气扩散层材料和催化剂层。例如，涂覆多层具有疏水透气性质的聚四氟乙烯(PTFE)乳液后再烧结成型，便形成了电极空气扩散层；而在导电基底另一侧则通过粘接剂(如导电树脂Nafion)将催化剂(铂、活性炭)颗粒固定后再烧结成膜，即为催化剂层。2012年，王鑫(WangXin)等人改进了传统的空气阴极制作工艺，利用超声、搅拌来均匀混合PTFE与碳黑颗粒后，再利用碾压机将得到的混合物压制在不锈钢网基底上得到空气扩散层(DongH.,WangX.,EnvironmentalScience&Technology,2012,46,13009-13015)。通过同样的方法再将催化剂活性层压制在不锈钢网的另一侧。然而，这种制备方法在都涉及到将多种成分的原料，通过多个步骤，如搅拌、涂覆、压模、烧结等组装定型，才能得到最终的电极。因此，原有的制作空气阴极方法存在的问题有：1、大量使用化学粘接剂和PTFE等对环境有毒有害的物质，这导致其无法用于海洋、湿地、湖泊等沉积物微生物燃料电池中；2、制作步骤繁多、耗时，不适于工业标准化生产，所制作电极质量水平存在较大差异。这些问题不仅制约了空气阴极在实际应用中的推广，也限制了生物燃料电池整体性能和反应效率的进一步提高。
技术实现思路
本专利技术目的是针对上述现有技术的空气阴极制备方法存在的缺陷，提供一种简易、高效、经济节能的生物燃料电池空气阴极及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术第一方面的技术方案为：一种微生物燃料电池的空气阴极，其由轻木经热处理得到的生物炭薄片制得。本专利技术优选的一技术方案中，将轻木薄片放置于加热装置中，在800±50℃的无氧氛围中烧结得到的生物炭薄片。本专利技术优选的一技术方案中，加热装置优选为管式炉，或其他本领域人员可想到的适用加热装置。本专利技术优选的一技术方案中，烧结30‐120分钟，优选烧结60‐90分钟。本专利技术优选的一技术方案中，生物炭薄片的厚度为2.0mm～5.5mm，优选地，生物炭薄片的厚度为2.6mm,3.5mm，4.5mm。本专利技术的第二方面提供一种生物炭薄片用于微生物燃料电池空气阴极。本专利技术优选的一技术方案中，轻木薄片放置于加热装置中，在800±50℃的无氧氛围中烧结得到生物炭薄片。本专利技术优选的一技术方案中，生物炭薄片的厚度为2.0mm～5.5mm，优选地，生物炭薄片的厚度为2.5mm～4.5mm，进一步，生物炭薄片的厚度为2.6mm,3.5mm，4.5mm。本专利技术中，词语轻木是一种木棉科，轻木属乔木，学名Ochromapyramidale或Ochromalagopus。原产南美洲热带地区，材质特轻。木材外表与白松或椴木相似。本专利技术通过一步热处理的方法，制备了多个不同厚度的微生物燃料电池阴极。本专利技术的主要优点在于：制备过程不需要使用粘接剂和PTFE等物质，是一种环境无公害的生产过程；制备原料只使用了天然的轻木，是一种可再生的资源；制作步骤简易，省略了现有方法中的3‐5个步骤(例如，碾磨混合、粘结成型、烧制融合)；且催化剂和空气扩散通道分布在本专利技术阴极有序的孔结构中，保证了氧气与催化剂表面的充分接触反应，提高了阴极反应效率和电池整体性能。附图说明图1为本专利技术制备的空气阴极电极表面的扫描电子显微图。图2为本专利技术制备的空气阴极电极侧剖面的扫描电子显微图。图3显示了在生物炭空气阴极上测试氧气还原反应的循环伏安曲线(虚线是在空气阴极的溶液和空气侧均无氧气条件下测试；实线是在溶液中无氧气，而空气侧有氧气的条件下测试)图4为安装了本专利技术空气阴极的单室微生物燃料电池连续运行时的输出电压。图5为本空气阴极土壤沉积物微生物燃料电池的功率曲线。具体实施方式以下结合附图描述本专利技术具体实施方式。实施例1：一种所述微生物燃料电池的空气阴极制备步骤为：将切割好的厚度约为4mm的轻木薄片放置于管式炉内，利用氮气流和真空泵去除管内氧气后，保持适量的氮气流通过石英管，加热到800摄氏度后保持90分钟后降温到100度后取出，即得到生物炭薄片空气阴极电极。该实例得到的电极厚度约3.5mm，可一次性制备10‐15片电极，也可根据反应器容量增加或减少批次电极的数量。根据扫描电子显微图的结果，电极表面由连续的层状结构组成，且存在液体渗透通道；而侧剖面图的结果显示生物炭薄片内部由有序的孔结构组成，孔的形状为不规则的多边形，直径分布在10‐40微米之间。这些证据表明这些生物炭薄片的多孔通道结构来自于原材料轻木的木材细胞，这种三维空间结构为空气阴极提供了大量的氧气传输通道，并形成了微观尺度上的固‐液‐气三相界面(图1)；此外，电化学循环伏安测试结果显示生物炭对氧气还原反应的较高的催化活性(图2)。因此，所制备生物炭薄片具备了空气阴极必备的两个条件，既可以催化氧气还原法反应(ORR)，又含有大量的微米尺度孔结构，充当氧气扩散通道。将所制备的生物炭空气阴极安装在单室的生物燃料电池上，利用1g/L的乙酸钠模拟生活废水，再加入微量的矿物质和维生素b的混合营养液，该电池可连续运行超过四个月以上，在1000欧姆负载情况下输出电压约0.33V(图4：6个周期)。如将该生物炭空气阴极装备到水稻田沉积物体系中，经过一段时间运行后测得该水稻田沉积物微生物燃料电池的最大功率达到70mW/m2(图5)。实施例2：一种所述微生物燃料电池空气阴极的制备方法，其实施步骤与实施例1相同，但反应原材料的轻木的厚度更改为约3mm。该实施例中得到的生物炭薄片的厚度分别为2.6mm。其微观结构与实施例1所得产品相同(图1和2)。该生物炭薄片空气阴极在水稻田沉积物体系中，经过一段时间运行后该水稻田沉积物微生物燃料电池的最大功率约50mW/m2(图5)。实施例3：一种所述微生物燃料电池空气阴极的制备方法，其实施步骤与实施例1相同，但反应原材料的轻木的厚度更改为约5mm。该实施例中得到的生物炭薄片的厚度分别为4.5mm。该实施例中得到的生物炭薄片的厚度分别为2.6mm。其微观结构与实施例1所得产品相同(图1和图2)。该生物炭薄片空气阴极在水稻田沉积物体系中，经过一段时间运行后该水稻田沉积物微生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，其由轻木经热处理得到的生物炭薄片制得。

【技术特征摘要】
1.一种微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，其由轻木经热处理得到的生物炭薄片制得。2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，其由轻木薄片放置于加热装置中，在800±50℃的无氧氛围中烧结得到的生物炭薄片制备得到。3.根据权利要求2所述的微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，加热装置优选为管式炉。4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池的空气阴极，其特征在于，烧结30‐120分钟。5.根据权利要求1所述的微...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈正，常虎成，袁召峰，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32