CN102227028B - 一种提高微生物燃料电池镍基体空气阴极材料性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高微生物燃料电池镍基体空气阴极材料性能的方法，它涉及微生物燃料电池阴极材料的改性方法，本发明解决了现有镍基体空气阴极材料孔隙度过大而影响微生物燃料电池性能的问题。本方法：将镍基体空气阴极材料浸泡在聚四氟乙烯等水溶液中，在室温条件下放置1～2小时进行干燥处理，然后加热固化，完成微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性。本发明得到的改性镍基体空气阴极材料，孔隙度明显降低，避免了过多的氧气从空气阴极扩散进入微生物燃料电池破坏阳极的厌氧环境，从而提高了电极材料的电化学性能。本发明适用于微生物燃料电池空气阴极材料的大规模生产。

Description

一种提高微生物燃料电池镍基体空气阴极材料性能的方法
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池阴极材料的改性方法。
背景技术
微生物燃料电池是一种能将生物质能转化为电能的装置，具有底物适应性强，操作条件温和，无需输入能量即可实现电能生产等优点，因此成为了环境工程领域的研究热点之一。同时，由于空气阴极是目前微生物燃料电池研究最多的一种阴极形式，且空气阴极的氧化还原反应发生在三相界面上，要在空气阴极的三相界面上完成氧气的还原，就必须提供一个良好的电极基体来确保气、液、固三相反应的顺利进行。电极材料需要满足良好的气体扩散性、高的支撑强度以及高导电性等要求，目前常用的阴极材料主要为碳基体材料，主要包括碳纸、碳布、石墨布以及玻璃碳材料等，碳基体材料的成本是非常昂贵的，约为1000美元/m2，且比表面积小，机械强度低，导电性差。这些因素都限制了微生物燃料电池技术的扩大应用。为了微生物燃料电池的大规模应用，亟待开发一种新型的替代材料取代碳基体材料，因此镍基体阴极材料应运而生。但是在用未改性的镍基体材料作为微生物燃料电池空气阴极时，由于其孔隙度过大，从空气阴极扩散进入微生物燃料电池的氧气过多，破坏了阳极的厌氧环境，使微生物燃料电池的性能受到影响，因此对于镍基体空气阴极材料而言，改性处理是非常必要的。
在以泡沫镍为基体材料的改性方法研究中，申请号为200810120230.6，名称为“以二茂铁为阴极催化剂的直接硼氢化钠燃料电池”的发明专利开发了泡沫镍电极的憎水处理方法，其主要过程为泡沫镍浸渍在聚四氟乙烯后，滤纸干燥，浸泡时间为3分钟，固化时间为1小时，该专利是燃料电池领域的电极憎水处理方法。该方法无法实现在三维电极的孔隙上形成聚四氟乙烯的薄膜，从而降低三维电极骨架上的孔隙度，进而减少氧气的渗入量，提高微生物燃料电池系统厌氧环境的效果，也无法实现微生物燃料电池性能的提升，因此，需要开发新的处理方法，来降低微生物燃料电池系统中的溶解氧，强化系统的厌氧环境，提升微生物燃料电池系统的性能。
发明内容
本发明是要解决现有镍基体空气阴极材料孔隙度过大而影响微生物燃料电池性能的问题，而提供一种提高微生物燃料电池镍基体空气阴极材料性能的方法。
本发明的一种微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性方法，是通过以下步骤实现的：一、将镍基体空气阴极材料浸泡在体积百分比为10%～60%的聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或者改性聚苯乙烯水溶液中进行处理，浸泡时间为5～20min，得到浸泡后的镍基体空气阴极材料，其中镍基体空气阴极材料为泡沫镍、镍板、镍网布或镍网；二、将步骤一中得到的浸泡后的镍基体空气阴极材料在室温条件下放置1～2小时进行干燥处理，得到干燥后的镍基体空气阴极材料；三、将步骤二中得到的干燥后的镍基体空气阴极材料放入马弗炉中进行加热固化处理，设定马弗炉的温度为350～500℃，固化时间10～30min，得到改性镍基体空气阴极材料，完成微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性。
本发明微生物燃料电池镍基体空气阴极材料经过改性，得到的改性镍基体空气阴极材料，其镍元素的质量百分比为35～51%，比未改性材料的镍元素质量百分比下降50%，孔隙度明显降低，避免了过多的氧气从空气阴极扩散进入微生物燃料电池破坏阳极的厌氧环境，从而提高了电极材料的电化学性能。
本发明适用于微生物燃料电池空气阴极材料的大规模生产。
附图说明
图1是未改性泡沫镍材料的SEM图；图2是具体实施方式十一得到的改性泡沫镍材料的SEM图；图3是具体实施方式十一得到的改性泡沫镍材料的线性扫描伏安曲线图，图中，-△-是采用碳布阴极作为空气阴极的微生物燃料电池，-□-是采用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池，-◇-是采用未改性处理的泡沫镍材料作为空气阴极的微生物燃料电池；图4是利用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池的输出电压与时间关系曲线图，图中，-○-是采用碳布阴极作为空气阴极的微生物燃料电池，-□-是采用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池，-△-是采用未改性处理的泡沫镍材料作为空气阴极的微生物燃料电池；图5是利用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池在废水处理过程中的COD去除率图，图中，A是采用碳布阴极作为空气阴极的微生物燃料电池，B是采用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池，C是采用未改性处理的泡沫镍材料作为空气阴极的微生物燃料电池；图6是利用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池在废水处理过程中的库伦效率图，图中，A是采用碳布阴极作为空气阴极的微生物燃料电池，B是采用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池，C是采用未改性处理的泡沫镍材料作为空气阴极的微生物燃料电池；图7是利用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池在废水处理过程中的功率密度与电流密度关系图，图中，-○-是采用碳布阴极作为空气阴极的微生物燃料电池，-■-是采用具体实施方式十一得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池，-□-是采用未改性处理的泡沫镍材料作为空气阴极的微生物燃料电池。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中一种微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性方法，通过以下步骤实现：一、将镍基体空气阴极材料浸泡在体积百分比为10%～60%的聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或者改性聚苯乙烯水溶液中进行处理，浸泡时间为5～20min，得到浸泡后的镍基体空气阴极材料，其中镍基体空气阴极材料为泡沫镍、镍板、镍网布或镍网；二、将步骤一中得到的浸泡后的镍基体空气阴极材料在室温条件下放置1～2小时进行干燥处理，得到干燥后的镍基体空气阴极材料；三、将步骤二中得到的干燥后的镍基体空气阴极材料放入马弗炉中进行加热固化处理，设定马弗炉的温度为350～500℃，固化时间10～30min，得到改性镍基体空气阴极材料，完成微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性。
本实施方式得到的改性镍基体空气阴极材料，其镍元素的质量百分比为35～51%，孔隙度明显降低，避免了过多的氧气从空气阴极扩散进入微生物燃料电池破坏阳极的厌氧环境，从而提高了电极材料的电化学性能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将镍基体空气阴极材料浸泡在体积百分比为20%～50%的聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或者改性聚苯乙烯水溶液中进行处理。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将镍基体空气阴极材料浸泡在体积百分比为40%的聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或者改性聚苯乙烯水溶液中进行处理。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中浸泡时间为6～19min。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中浸泡时间为12min。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中放置1.5小时进行干燥处理。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中设定马弗炉的温度为360～450℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中设定马弗炉的温度为400℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中固化时间为15～25min。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中固化时间为20min。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式中一种微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性方法，通过以下步骤实现：一、将泡沫镍材料浸泡在体积百分比为30%的聚四氟乙烯水溶液中进行处理，浸泡时间为10min，得到浸泡后的泡沫镍材料；二、将步骤一中得到的浸泡后的泡沫镍材料在室温条件下放置1.5小时进行干燥处理，得到干燥后的泡沫镍材料；三、将步骤二中得到的干燥后的镍基体空气阴极材料放入马弗炉中进行加热固化处理，设定马弗炉的温度为400℃，固化时间20min，得到改性镍基体空气阴极材料，完成微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性。
本实施方式得到的改性泡沫镍材料的SEM图如图2所示，从图1和图2可以看出改性泡沫镍材料与未改性泡沫镍材料相比，其孔隙度明显下降。
本实施方式得到的改性泡沫镍材料的线性扫描伏安曲线图如图3所示，从图3可以看出在0电位点上，改性泡沫镍材料与未改性泡沫镍材料的电流密度值基本一致。由此可见，泡沫镍材料的改性不会影响电极在微生物燃料电池空气阴极上的正常使用。
利用本实施方式得到的改性泡沫镍材料制作空气阴极的方法按以下步骤进行：a、将碳粉加入到40%～60%的聚四氟乙烯中，均匀混合，得到扩散层；b、将扩散层涂布在得到改性镍基体空气阴极材料的一侧，室温下干燥2h，置于马弗炉中固化10～30min，从马弗炉中取出后，室温下放置30min；c、使用60%的聚四氟乙烯涂布到已涂扩散层的改性镍基体空气阴极材料一侧，室温下干燥后高温固化，重复此步骤1～4次；d、在得到的改性泡沫镍材料制作空气阴极另一侧涂布催化层，催化层是将铂/碳粉催化剂加入到异丙醇和萘酚溶液进行混合，其中，铂/碳粉催化剂含铂的质量分数为10%，催化剂的用量为0.1～0.5mg/cm2，室温下放置12～24h，得到改性泡沫镍空气阴极。
利用本实施方式得到的空气阴极组装微生物燃料电池的方法按以下步骤进行：将得到的改性泡沫镍空气阴极和经加热350～500℃处理及酸碱处理的碳布阳极分别安装至微生物燃料电池反应器的阴极和阳极处，将阳极盖板、阴极盖板与微生物燃料电池的腔体进行连接，用螺丝进行固定。在微生物燃料电池的顶部，安装数据采集装置和其他的传感器探头，整个反应器处于密闭状态，即完成微生物燃料电池的组装，得到改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池。
利用本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池的输出电压与时间关系曲线图如图4所示，从图4可以看出在运行300小时后，未改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池比改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池的输出电压低0.04～0.05V。由此可见，本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池比未改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池有更好的稳定性并能提供更高的电压输出。
利用本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池在废水处理过程中的COD去除率图如图5所示，从图5可以看出改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池的COD去除率为72%。由此可见，本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池对废水COD的去除率与未改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池相比没有明显差异。
利用本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池在废水处理过程中的库伦效率图如图6所示，从图6可以看出改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池的库伦效率为21%，而未改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池的库伦效率为18%。由此可见，本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池的库伦效率比未改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池提高了14%。
利用本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池在废水处理过程中的功率密度与电流密度关系图如图7所示，从图7可以看出改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池的最大功率密度为0.72W/m2，而未改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池的最大功率密度为0.51W/m2。由此可见，本实施方式得到的改性泡沫镍空气阴极微生物燃料电池与未改性泡沫镍材料空气阴极微生物燃料电池相比，其最大功率密度提高了41%。

Claims (1)

1.一种提高微生物燃料电池镍基体空气阴极材料性能的方法，其特征在于提高微生物燃料电池镍基体空气阴极材料性能的方法是通过以下步骤实现的：一、将泡沫镍材料浸泡在体积百分比为30%的聚四氟乙烯水溶液中进行处理，浸泡时间为10min，得到浸泡后的泡沫镍材料；二、将步骤一中得到的浸泡后的泡沫镍材料在室温条件下放置1.5小时进行干燥处理，得到干燥后的泡沫镍材料；三、将步骤二中得到的干燥后的镍基体空气阴极材料放入马弗炉中进行加热固化处理，设定马弗炉的温度为400℃，固化时间20min，得到改性镍基体空气阴极材料，完成微生物燃料电池镍基体空气阴极材料的改性。
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