CN101702435A - 无金属催化剂的空气阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池的电极制备，旨在提供一种无金属催化剂的空气阴极及其制备方法。该无金属催化剂的空气阴极，包括作为基材的碳布或不锈钢网，所述基材的两面分别涂覆扩散层和催化层，其中扩散层与空气接触，催化层与电解液接触。本发明的阴极由多层扩散层和催化层构成，降低水的蒸发流失，提高了电极的稳定性。阴极一侧直接面对空气，氧气直接扩散到达阴极催化表面，无需外加供气装置和动力，大大降低了电池运行成本和稳定性。阴极催化材料是来源广泛、价格低廉的活性炭，不含任何金属催化剂，大大降低了电池构造成本。具有结构简单、成本低、易于扩大化的特点，能够用于制造高性能低成本微生物燃料电池，同时净化废水。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池的电极制备，具体地说是一种无金属催化剂的空气阴极及其制备方法。
背景技术
微生物燃料电池是一种新型的利用微生物催化氧化生物质的产电装置。它可以利用几乎所有的有机物包括各种废水如生活污水、工业废水和动物废物等为燃料，对废水的处理可实现回收能量同时净化污水。被认为是极具应用前景的革新技术。
采用空气阴极，开发出有质子交换膜或无膜的单室微生物燃料电池，使电池结构紧凑简单，尤其是无膜单室电池，由于去掉了昂贵的质子交换膜，电池制造工艺简化，制造成本降低，且直接利用空气中的氧气，无需曝气，电池运行成本也大大降低，使得微生物燃料电池的实用化进程向前迈进一大步。如中国专利“从废水处理中回收电能的微生物燃料电池”(CN201134469Y)、“产气肠杆菌在微生物发电方面的应用及其发电方法”(CN101320820A)、“一种微生物燃料电池堆”(CN101315985A)、“以气体扩散电极为阴极的单室微生物燃料电池”(CN101207219A)、“单室微滤膜自介体耦合型微生物燃料电池”(CN101237063A)、“折流板阴极微生物燃料电池”(CN101227008A)、“无膜和无介体的微生物燃料电池”(CN1659734)、“生物反应器-直接微生物燃料电池及其用”(CN1949577)、“可堆叠式单室微生物燃料电池”(CN101034754A)、“微生物燃料电池装置和电池及用法以及水处理系统”(CN101118973)、“微生物燃料电池及其处理啤酒废水的方法”(CN101145620)、“二氧化锰在制备微生物燃料电池阴极中的应用”(CN101355170)、“一种多级微生物燃料电池装置”(CN201229964)、“一种管式升流式阴极微生物燃料电池”(CN101431161)。但单室微生物燃料电池大多使用电催化活性高、化学稳定性好的金属铂作阴极的催化剂，然而金属铂价格昂贵且稀少限制了其广泛使用。过度金属大环络合物，如酞箐铁(FePC)、四苯基啉(COTMPP)等具有与铂相当的氧还原活性，但稳定性不高，且制备过程复杂，成本价格仍然较高。其它相对便宜的阴极催化材料如二氧化锰、铁离子和锰离子也得到了研究，但这些材料不稳定，长时间运行会溶解到溶液中，需要再生或替换，不但使运行工艺复杂化，而且金属离子溶出造成二次污染。
因此，开发成本低廉、稳定性和催化活性高的阴极，并据此开发制造、运行成本低的单室微生物燃料电池是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种无金属催化剂的空气阴极及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下解决方案：
提供一种无金属催化剂的空气阴极，包括作为基材的碳布或不锈钢网，所述基材的两面分别涂覆扩散层和催化层，其中扩散层与空气接触，催化层与电解液接触；
所述扩散层由内至外依次为：1～2层的纳米碳基本层和1～5层的聚四氟乙烯涂层；该纳米碳基本层是：粒度为20纳米的碳粉与40％wt的聚四氟乙烯乳液按每克碳粉加10～50ml聚四氟乙烯乳液混合且经加热处理；该聚四氟乙烯涂层是：浓度为60％wt的聚四氟乙烯乳液且经加热处理；
所述催化层为：活性炭粉、聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合且经加热处理，其中活性炭粉为通过500目筛子的微粒，聚四氟乙烯乳液浓度为5～15％wt，异丙醇浓度为97％wt，每克活性炭粉中加入0.5～4ml聚四氟乙烯乳液和5～10ml异丙醇。
本发明中，所述活性炭粉先经加热加压碱液活化处理，处理时温度为80～400℃，压力为0.1～1MPa，碱液是浓度0.5～5M的KOH，处理时间为15～120分钟。
本发明中，所述纳米碳基本层的载碳量为2～8mg/cm2。
本发明中，所述催化层的载活性炭量为5～20mg/cm2。
本发明还提供了一种制备前述空气电池阴极的方法，包括：
(1)扩散层的处理
纳米碳基本层：将碳粉和聚四氟乙烯乳液混合成膏状，涂覆或压制在碳布或不锈钢网的表面上，每涂覆或压制一层均需加热处理，加热温度为350～370℃，时间为15～30分钟；
聚四氟乙烯涂层：在纳米碳基本层表面涂覆聚四氟乙烯，每涂覆一层均需加热处理，加热温度是350～370℃，时间为5～15分钟；
(2)催化层的处理
将活性炭粉、聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合成膏状，涂敷或压制在碳布或不锈钢网的另一表面后加热处理，加热温度为250～300℃，处理时间为10～15分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明阴极催化材料是来源广泛、价格低廉的活性炭，不含任何金属催化剂，大大降低了电池构造成本。
2、活性炭经特定的活化处理，获得高且稳定的氧还原特性。活化工艺简单、易操作。
3、本发明的阴极由多层扩散层和催化层构成，降低水的蒸发流失，提高了电极的稳定性。阴极一侧直接面对空气，氧气直接扩散到达阴极催化表面，无需外加供气装置和动力，大大降低了电池运行成本和稳定性。
4、利用本发明制备的空气电极具有结构简单、成本低、易于扩大化的特点，能够用于制造高性能低成本微生物燃料电池，有效地将废水中有机物的化学能转化成电能，同时净化废水。
附图说明：
图1为本发明所述空气阴极的结构示意图。
图2为本发明中阴极用于微生物燃料电池的结构示意图；
图3本发明实施例1处理自配含乙酸钠废水的电池输出功率。
图4本发明实施例7处理自配含乙酸钠废水的电池放电曲线。
图5本发明实施例8处理自配含乙酸钠废水的电池放电曲线。
图中标号：a多层聚四氟乙烯层、b纳米碳基本层、c电流集电体、d催化层；1电池壳体、2碳纤维刷阳极、3阴极、4、5阴极固定板、6出水口、7进水口、8阴极导线；
具体实施方式
具体实施例1：
参见图1，具体实施中，阴极由多层聚四氟乙烯层a、纳米碳基本层b、电流集电体c、催化层d组成。按以下步骤制备阴极：(1)粒度为20纳米的碳粉与40％wt聚四氟乙烯乳液(每克碳粉加10ml)混合成膏状，将混合物涂覆到不锈钢网的一个侧面上，碳粉涂载量为2mg/cm2，涂覆不锈钢网在370℃下加热15分钟，取出冷却至室温。(2)在碳层表面均匀涂覆一层聚四氟乙烯乳液，在370℃下加热15分钟。重复过程(2)五次，使表面形成五层聚四氟乙烯层。(3)活性炭碾磨成小颗粒，通过500目筛子，其颗粒小于30uM，与1M KOH溶液混合，在120℃、1MPa压力下处理30分钟，取出后用去离子水清洗至pH为中性，在80℃下烘干备用。一定量(10mg/cm2)的处理后的活性炭粉与10％wt聚四氟乙烯乳液(每克活性碳加1ml)和5ml异丙醇混合成膏状，将膏状物涂覆在不锈钢网的另一面(无聚四氟乙烯层)，在270℃下加热15分钟。
本实施方式中微生物燃料电池由电池壳体1、阳极2、阴极3，阴极固定板4、5，出水口6、进水口7、阴极导线(钛丝)8组成。阳极2为钛芯碳纤维刷，置于电池壳体侧面中央。钛芯碳纤维刷是将若干组活性炭纤维与处于中心的钛丝相互缠绕，其形状类似试管刷，故称之为钛芯碳纤维刷(见图2)。阴极3置于电池壳体一端而另一端封死，用阴极固定板4、5固定。阴极3催化层面向溶液、扩散层面向空气。阴极导线8和阳极2与外电路连接。电池可以以间隙和连续流两种模式运行，间隙式运行时，在加入燃料溶液后，出水口6、进水口7用橡胶塞密封。连续流式运行时，燃料溶液从底部进水口7进入反应器，反应后溶液从上面出水口6流出反应器。
将制备好的阴极裁减成所需的尺寸，按阴极催化层面向溶液、扩散层面向空气将阴极安装在电池壳体上1。阳极(碳刷)最外围与阴极之间的距离为15毫米。将阴极安装在电池壳体的一端而另一端封死，电池按图2所示组装完毕后，将生活污水处理厂的初沉池出水与含1g/L乙酸钠的50mM磷酸盐缓冲溶液的混合液(50/50)注入微生物燃料电池内，在外电路连接1000欧姆电阻，启动微生物燃料电池。每隔约24小时完全更换上述的混合液，待电池电压达到稳定时(两批次间隙式运行电池电压大致重复)，电池启动成功。然后向电池内注入含1g/L乙酸钠的50mM磷酸盐缓冲溶液，改变负载电阻测定电池的功率曲线(见图3)，电池最大输出功率为1540mW/m2。，
具体实施例2：
本实施方式与具体实施例1不同的是阴极扩散层由2层纳米碳基本层、一层聚四氟乙烯涂层构成，30％wt聚四氟乙烯乳液用量为：每克碳粉加50ml.纳米碳层的载碳量为8mg/cm2.纳米碳基本层加热处理温度为350℃，时间为30分钟；聚四氟乙烯涂层加热处理温度为350℃，时间为15分钟。其它结构和连接、运行与具体实施例1相同。
具体实施例3：
本实施方式与具体实施例1不同的是阴极扩散层由1层纳米碳基本层、4层聚四氟乙烯涂层构成，40％wt聚四氟乙烯乳液用量为：每克碳粉加20ml.纳米碳层的载碳量为3mg/cm2.纳米碳基本层加热处理温度为360℃，时间为20分钟；聚四氟乙烯涂层加热处理温度为360℃，时间为5分钟。其它结构和连接、运行与具体实施例1相同。
具体实施例4：
本实施方式与具体实施例1不同的是活性碳粉先经80℃、1MPa压力和5M KOH活化处理120分钟。其它结构和连接、运行与具体实施例1相同。
具体实施例5：
本实施方式与具体实施例1不同的是活性碳粉先经400℃、0.1MPa压力和0.5M KOH活化处理15分钟。其它结构和连接、运行与具体实施例1相同。
具体实施例6：
本实施方式与具体实施例1不同的是阴极催化层由以下方式制得：载量为5mg/cm2的活性炭与每克活性炭加0.5ml 15％wt聚四氟乙烯乳液和7ml异丙醇混合成膏状，涂覆在碳布表面上，加热处理温度为250℃，时间为10分钟。其它结构和连接、运行与具体实施例1相同。运行结果如图4所示。
具体实施例7：
本实施方式与具体实施例1不同的是阴极催化层由以下方式制得：载量为20mg/cm2的活性炭与每克活性炭加4ml 5％wt聚四氟乙烯乳液和10ml异丙醇混合成膏状，压制在碳布表面上，加热处理温度为300℃，时间为15分钟。其它结构和连接、运行与具体实施例1相同。运行结果如图5所示。
Claims (5)
1.一种无金属催化剂的空气阴极，包括作为基材的碳布或不锈钢网，其特征在于，所述基材的两面分别涂覆扩散层和催化层，其中扩散层与空气接触，催化层与电解液接触；
所述扩散层由内至外依次为：1～2层的纳米碳基本层和1～5层的聚四氟乙烯涂层；该纳米碳基本层是：粒度为20纳米的碳粉与40％wt的聚四氟乙烯乳液按每克碳粉加10～50ml聚四氟乙烯乳液混合且经加热处理；该聚四氟乙烯涂层是：浓度为60％wt的聚四氟乙烯乳液且经加热处理；
所述催化层为：活性炭粉、聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合且经加热处理，其中活性炭粉为通过500目筛子的微粒，聚四氟乙烯乳液浓度为5～15％wt，异丙醇浓度为97％wt，每克活性炭粉中加入0.5～4ml聚四氟乙烯乳液和5～10ml异丙醇。
2.一种权利要求1所述的空气阴极，其特征在于，所述活性炭粉先经加热加压碱液活化处理，处理时温度为80～400℃，压力为0.1～1MPa，碱液是浓度0.5～5M的KOH，处理时间为15～120分钟。
3.根据权利要求1所述的空气阴极，其特征在于，所述纳米碳基本层的载碳量为2～8mg/cm2。
4.根据权利要求1所述的空气阴极，其特征在于，所述催化层的载活性炭量为5～20mg/cm2。
5.一种制备权利要求1所述的空气阴极的制备方法，包括：
(1)扩散层的处理
纳米碳基本层：将碳粉和聚四氟乙烯乳液混合成膏状，涂覆或压制在碳布或不锈钢网的表面上，每涂覆或压制一层均需加热处理，加热温度为350～370℃，时间为15～30分钟；
聚四氟乙烯涂层：在纳米碳基本层表面涂覆聚四氟乙烯，每涂覆一层均需加热处理，加热温度是350～370℃，时间为5～15分钟；
(2)催化层的处理
将活性炭粉、聚四氟乙烯乳液和异丙醇混合成膏状，涂敷或压制在碳布或不锈钢网的另一表面后加热处理，加热温度为250～300℃，处理时间为10～15分钟。
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