根据第一方面本发明专利技术涉及包含阳极和阴极的装置。所述阳极和阴极置于分隔的阳极和阴极隔室中。在该装置中，通过氧化还原介体进行从阴极到末端电子受体的电子转移。本发明专利技术的特征在于氧化还原介体包含Ｆｅ（Ⅱ）／Ｆｅ（Ⅲ）氧化还原对。根据另一方面，本发明专利技术涉及使用根据本发明专利技术的装置产生电能的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
根据第一方面，本专利技术涉及具有阳极和阴极的装置，在所述阳极 上可发生氧化反应，在所述阴极上可发生还原反应。这样的装置可以 是例如可用以产生电能的燃料电池。根据另一方面，本专利技术涉及产生电能的方法，其中使用根据本发 明的装置。
技术介绍
可用于产生电能的燃料电池在本领域是已知的。在这样的燃料电池中，例如通过氢012)和氧(02)的电化学燃烧产生电能。其中可以发生的反应如下(1) 阳极处的氧化 H2 — 2H+ + 2e_或H2 + 20H画—2H20 + 2e-(2) 阴极处的还原%02+ 2H++ 2e_ — H20或 乂02 + 2H20+ 2e_ — 2H0画或还原和氧化反应发生在两个隔开的隔室内。因为阳极和阴极被电 连接，由于这些反应，电子转移发生在阳极和阴极之间，这因此产生 电流。因为通过阳离子传导材料的阳离子转移是可能的，所以电荷平 衡得到维持，用所述阳离子传导材料将阳极隔室和阴极隔室隔离。在燃料电池中，还可在阳极处发生不需氧的生物氧化反应。这样的反应由生物催化剂催化，其直接地或者通过作为末端电子受体的氧化还原介体(mediator)来使用阳极。这些生物催化剂的例子是亲阳极 (anodophylic)微生物和氧化还原酶。如果通过微生物在阳极处进行不 需氧氧化反应，则还可提到微生物燃料电池。如果02用作末端电子受体，发生在微生物燃料电池内的反应可表 示为如下阳极 + H20 — C02 + 4H+ + 4e—(氧化) 阴极02 + 4H+ + 4e— — 2H20 (还原)净反应 + 02 — C02 + H20微生物燃料电池允许将水净化与发电结合，因为微生物可转化存 在于废水中的不同底物。当使用包括微生物燃料电池在内的燃料电池产生电能时，电功率 的值是重要的。微生物燃料电池的电功率实际上等于燃料电池内化学 能减去内部能量损失所产生(elaborated)的能量。良好设计的燃料电 池内的主要损失是使反应以给定速率进行所必需的能量。这种能量损 失被称为过电势。在逐渐增加的速率和逐渐增加的能量损失下，观察 到燃料电池的电势的降低。这种关系由所谓的V-I曲线给出，该曲线 给出了作为电流(I)的函数的电池电势(V电池)。通常该电流以每m2几何 电极面积来表示。因为电池的功率密度(P电池)等于V电池.I并且因为V电 ^与电流强度(I)具有强的相关性，所以电池的功率也是I的函数。阴极一般由两个元件、特别是电流分配体和促进阴极反应的催化 剂组装成。通常使用碳作为电流分配体，因为其兼具低价格、高电导 和高化学抗性。具有碳阴极而不具有催化剂的微生物燃料电池的功率通常为 1-20 mW/m2。这对于微生物燃料电池的经济应用过低。通常接受的是，阴极过电势导致微生物燃料电池的主要能量损失。 因此在阴极设计中的第 一 关注点是低过电势。该问题的可能解决方案是使用铂作为催化剂。对于使用废水的微生物燃料电池，具有Pt阴极的电池的电功率为约300 mW/m2。柏催化 氧还原为水。然而，铂是贵重材料并且铂的生产可具有非常大的污染 性。这对于使用铂的微生物燃料电池的经济应用导致问题。因此在阴 极设计中的第二关注点是阴极应由廉价(affordable)的材料制成。V-I曲线仅描述由系统中电子和离子的流动引起的电阻所导致的 损失。发生第二种损失是因为氧渗透穿过质子传导材料这样的事实， 所述质子传导材料形成阳极和阴极隔室之间的分隔体。通常接受的是， 阳极隔室中的这种氧用于底物的氧化。因此这种底物不再用于产生电 能。涉及该方面的微生物燃料电池的效率表示为库仑效率。库仑效率 是底物中的可用电子的分数，所述可用电子最终以产生的电流而终结。 因此在阴极设计中的第三关注点是获得高库仑效率。在阴极设计中的第四关注点是阴极不应泄露任何污染材料。微生 物电池内阴极中存在的材料可经由将阳极和阴极隔室隔离的阳离子传 导材料緩慢泄露到阳极隔室中。因为微生物燃料电池中的阳极用废水 进行循环，因此从阴极隔室泄露的任何材料将散布在环境中，除非采 取特殊措施对此加以防止。因为微生物燃料电池的益处是可用其来产 生清洁能源，所以应防止污染的散布。关于一个或多个上述关注点，本专利技术针对于提供一种阴极系统， 该系统相对于铂阴极提供了改进。在国际申请W0 2004/015806中，现有技术中与铂阴极的使用相关 的许多问题受到关注。其中描述了表面涂有生物膜用以催化阴极处反 应的不锈钢阴极。通过将阴极材料浸在可导致生物膜生长的介质中并 同时在阴极上施加极化电压来形成所述生物膜。这种阴极还描述于 Bergel， A等人的文献"catalyses of oxygen reduction in PEM fuel cell by seawater biofilm" (Electro chemistry communications 7 (2005) 900-904)中。7 Rhoads， A等(Environmental Science & Technology, 39巻，12 期，2005)描述了微生物燃料电池，其中使用通过锰-氧化细菌 Leptotrix discophora定植的碳阴极。这种锰-氧化细菌催化锰生物 氧化为不溶的锰氧化物。这些锰氧化物沉淀在阴极上，在该阴极上它 们被还原为Mn2+。随后由Leptotrix discophora通过使用氧将\^2+氧 化为不溶的锰氧化物。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供现有技术中公开的阴极系统的替代，并且使 用根据权利要求l的装置实现了这个目的。在根据本专利技术的装置中，使用Fe(n)/Fe(III)氧化还原对来将电 子从阴极传递到末端电子受体。在此期间，Fe(III)在阴极被还原为 Fe(II)。可将为此所必需的电子转移到电系统中的阴极。例如通过将 阴极电连接至其中发生氧化反应的阳极，这可以是可能的。Fe(II)氧 化催化剂催化从Fe(II)到末端电子受体的电子传递。通过在阴极处将 Fe(III)还原为Fe(II)和随后将Fe(II)氧化为Fe(III),获得阴极系 统，该系统与现有技术中描述的系统不同，并且其克服了与铂阴极相 关的一个或多个缺点。根据本专利技术的装置包含多个具有置于阳极流质中的阳极的阳极隔 室、和多个与所述阳极隔室隔离并具有置于阴极流质中的阴极的阴极隔室。因此，阳极隔室和阴极隔室适合于容纳阳极流质和阴极流质。 本专利技术中的术语流质包含介质，其中具有低分子量(MW<300)的分子可 进行自由扩散运动，所述介质包括凝胶。所述流质优选包含水性介质， 包括含水凝胶。阳极和阴极的部件由适宜的材料制成。为所述部件例如阳极和阴 极的电流分配体选择适宜的材料在技术人员的知识范围内。电流分配 体可例如选自碳或不同的传导材料。特别优选使用碳，因为该材料具 有优异的电导、价格和化学惰性。阳极流质包含用于氧化反应、优选不需氧氧化反应、更优选不需氧生物氧化反应的试剂。通常这些试剂包含可氧化化合物，例如有机 可氧化化合物。还优选在阳极隔室中存在催化剂，该催化剂催化可氧化化合物的 氧化和/或氧化反应中产生的电子向阳极的传递。这种催化剂可包含 铂。然而，因为上述与该催化的使用相关的问题，优选不使用铂。更 优选使用生物催化剂。适宜的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种装置，其包含： （ｉ）置于阳极流质中的多个具有阳极（Ａ）的阳极隔室，所述阳极流质包含用于氧化反应、优选不需氧氧化反应、更优选不需氧生物氧化反应的试剂； （ｉｉ）与所述阳极隔室隔离的多个阴极隔室，所述阴极隔室具有置于阴极流质中的阴极（Ｃ），所述阴极流质包含末端电子受体、适合于将电子从阴极（Ｃ）传递到末端电子受体的氧化还原介体、和催化剂（３），该催化剂催化从氧化还原介体到末端电子受体的电子传递；其特征在于，所述氧化还原介体包含Ｆｅ（Ⅱ）／Ｆｅ（Ⅲ）氧化还原对，并且所述催化包含Ｆｅ（Ⅱ）氧化催化剂，并且任选地通过多个离子选择性膜（１）将所述阴极隔室和所述阳极隔室隔离，其中所述多个离子选择性膜（１）包含阴离子交换膜。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：A特尔海金，HVM汉姆勒斯，CJN布斯曼，
申请(专利权)人：马赫内托特殊阳极有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]
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