CN103682377B - 一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，所述空气电极片由扩散层、不锈钢网和催化层组成叠层结构，步骤是：制备扩散层；制备催化层；将催化层与60目不锈钢网在辊压机上辊压以使催化层能够充分嵌入到不锈钢网中，然后将扩散层压制到不锈钢网的另一面，即可制得微生物燃料电池空气阴极片。本发明的优点是：该制备方法通过先将催化层先压进不锈钢网、后压制扩散层的工艺，降低了空气阴极片的电荷转移内阻，提高了催化层的效率；催化层与不锈钢网有了更大的接触面积，提供了更多的三相界面的还原位点，从而显著提高电极材料的电化学性能，极大地提升了环保能源的潜力。

Description

一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法
技术领域
 本发明涉及能源环境领域，作为新兴的、有前景的环保能源-微生物燃料电池，特别是一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法。
背景技术
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，是环保能源的发展方向。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物（甚至是废弃的有机物）在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，氧化剂 （一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。由于空气阴极为氧化-还原反应提供了良好的三相界面，确保了气、液、固三相反应的顺利进行，是目前微生物燃料电池研究最多的一种阴极形式。
传统的空气阴极片的制作方法是将扩散层先压到不锈钢网上，然后再将催化层压到不锈钢网的另一面，增大了电荷转移内阻，降低了催化层的效率，进而降低了整个空气阴极片的性能。本发明正是克服了这一不足。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，该方法简单有效，能够降低阴极片的电荷转移内阻，提高阴极片的产电能力。
本发明的技术方案：
一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，所述空气电极片由扩散层、不锈钢网和催化层组成叠层结构，步骤如下：
1）将粉末状导电碳黑与无水乙醇混合，超声搅拌10 min，以使导电碳黑充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅拌的条件下，逐滴加入聚四氟乙烯乳液，再超声搅拌10 min；
2）将上述混合物质于80 ℃水浴条件下搅拌40 min以使其成为胶团状，将其用手轻轻的揉捏使多余的无水乙醇溢出，并使胶团状物质均匀有弹性，然后在辊压机上不断辊压，在辊压的过程中喷洒蒸馏水以保证其粘结度，将压制成的薄片置于马弗炉中，在340 ℃下加热25 min 使聚四氟乙烯熔化挥发形成孔隙，制得扩散层；
3）将粉末状电容活性碳粉与无水乙醇混合，超声搅拌10 min，以使电容活性碳粉充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅拌的条件下，逐滴加入聚四氟乙烯乳液，再超声搅拌10 min；
4）将上述混合物质在80 ℃水浴条件下搅拌3 h，加入无水乙醇使其成为胶团状，将其在辊压机上不断辊压，直至压制成薄片，制得催化层；
5）将催化层与60目不锈钢网在辊压机上辊压以使催化层能够充分嵌入到不锈钢网中，然后将扩散层压制到不锈钢网的另一面，即可制得微生物燃料电池空气阴极片。
所述聚四氟乙烯乳液的浓度为为1.5 g/mL。
所述导电碳黑与无水乙醇的质量比为1:16，导电碳黑与聚四氟乙烯乳液的质量比为3∶7。
所述电容活性碳粉与无水乙醇的质量比为1:6，电容活性碳粉与聚四氟乙烯乳液的质量比为6∶1。
所述扩散层和催化层的厚度均为0.5mm。
本发明的优点是：该制备方法通过先将催化层先压进不锈钢网、后压制扩散层的工艺，降低了空气阴极片的电荷转移内阻，提高了催化层的效率；催化层与不锈钢网有了更大的接触面积，提供了更多的三相界面的还原位点，从而显著提高电极材料的电化学性能。
附图说明
图 1空气阴极片的结构示意图。
图中：1.扩散层   2.不锈钢网   3.催化层
图2是新方法与原方法两种空气阴极微生物燃料电池的极化曲线(空心)与电流密度和功率密度与电流密度曲线对比图(实心)。
图3是新方法与原方法两种空气阴极的线性扫描伏安曲线对比图。
图4是新方法与原方法两种空气阴极的Tafel曲线对比图。
图5是新方法与原方法两种空气阴极的交流阻抗曲线对比图。
图6是新方法与原方法两种空气阴极的总内阻对比图，其中A是新方法总内阻，B是原方法总内阻。
具体实施方式
实施例：
一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，所述空气电极片，如图1所示，由扩散层1、不锈钢网2和催化层3组成叠层结构，步骤如下：
1）将4 g粉末状导电碳黑与80 mL无水乙醇在入200 mL烧杯中混合，超声搅拌10 min，以使导电碳黑充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅拌的条件下，逐滴加入6.2 mL浓度为1.5 g/mL 的聚四氟乙烯乳液，再超声搅拌10 min；
2）将上述混合物质于80 ℃水浴条件下搅拌40 min以使其成为胶团状，将其用手轻轻的揉捏使多余的无水乙醇溢出，并使胶团状物质均匀有弹性，然后在辊压机上不断辊压，在辊压的过程中喷洒蒸馏水以保证其粘结度，最终压制成厚度0.5mm的薄片，将其置于马弗炉中，在340 ℃下加热25 min 使聚四氟乙烯熔化挥发形成孔隙，制得扩散层；
3）将6 g粉末状电容活性碳粉与45 mL无水乙醇在200 mL烧杯中混合，超声搅拌10 min，以使电容活性碳粉充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅拌的条件下逐滴加入0.667 mL 浓度为1.5 g/mL 的聚四氟乙烯乳液，再超声搅拌10 min；
4）将上述混合物质在80 ℃水浴条件下搅拌3 h，加入无水乙醇使其成为胶团状，将其在辊压机上不断辊压，直至压制成厚度0.5mm的薄片，制得催化层；
5）将催化层与60目不锈钢网在辊压机上辊压以使催化层能够充分嵌入到不锈钢网中，然后将扩散层压制到不锈钢网的另一面，即可制得微生物燃料电池空气阴极片。
将该实施例制备的空气阴极片与碳刷阳极构成单室微生物燃料电池，与原有的方法制备的空气阴极片与碳刷构成的单室微生物燃料电池进行对比试验。图2为在驯化好的微生物燃料电池中稳定运行3周期后，通过改变外接电阻的大小测得的极化曲线和功率密度与电流密度关系图。从图2 中可知，新方法制作的空气阴极片组成的微生物燃料电池的最大功率密度为2442mW/m2在电流密度为8.35A/m2处获得，而原方法制作的空气阴极片组成的微生物燃料电池的最大功率密度为1936mW/m2在电流密度为7.43A/m2处获得。由此可见，本实施方式得到的空气阴极片微生物燃料电池的最大功率密度比原方法制作的空气阴极片微生物燃料电池提高了26%。在相同的电流密度下，新方法制作的空气阴极片组成的微生物燃料电池的电压总是高于原方法制作的空气阴极片组成的微生物燃料电池，说明新方法降低了体系的总内阻，提高了电池的性能。
该实施例制备的空气阴极片的线性扫描伏安曲线图如图3所示, 扫描速率1mv/s。从图3可以看出在相同的电位下，采用本实施方式得到的空气阴极片产生的电流高于采用原方法制作的空气阴极产生的电流，说明新方法制作的阴极片对电极的产电能力产生了促进的作用。
该实施例制备的空气阴极片的Tafel曲线图如图4所示，它是以过电位作为横坐标，以电流密度值取对数值作为纵坐标得到的。图中镶嵌在内的小图为在过电位为60-80mV区间，采用线性拟合的数据分析方法得出的结果，拟合直线与纵坐标的交点即截距值为阴极片的交换电流密度值，它是衡量阴极片上氧化还原反应动力学性能的重要指标。本实施方式得到的空气阴极片的交换电流密度为1.26×10-3 A/m2，原方法制作的空气阴极片的交换电流密度为0.62×10-3 A/m2，新方法制作的阴极片的交换电流密度值比原方法制作的空气阴极片提高了1倍多。
在非生物半电池中，以该实施例制备的空气阴极为工作电极，以铂片为对电极测得交流阻抗谱如图5所示，频率范围100KHz-0.01Hz。从图5中可以看到，交流阻抗谱图中从高频率到低频率依次出现一个半圆弧和一条斜率约为1的直线，半圆弧左侧与横轴实部阻抗的交点代表着对电极与工作电极之间的电解质溶液的欧姆电阻，圆弧代表着电荷转移内阻，斜率为1的直线为韦伯阻抗，代表着空气扩散层存在氧气的半无限扩散，说明气体在电极中有很好的扩散过程。从图中可以看出，由于在测试时用的是同一种电解质溶液，它们的溶液电阻几乎相同，但以本实施方式制得的空气阴极片的电荷转移内阻和扩散内阻都小于采用原方法制作的空气阴极片，说明通过先将催化层压到不锈钢网上增加了不锈钢网与催化层的接触面积，减小了电子转移的阻力，同时为氧气、电子和电解质溶液提供了更多的接触位点，提高了微生物燃料电池的产电能力。
该实施例制备的空气阴极片的总内阻如图6所示，总内阻包括溶液内阻、电荷转移内阻和扩散内阻。从图6中可以看到，以本实施方式制得的空气阴极片的总内阻为12.8Ω，而采用原方法制作的空气阴极片的总内阻为26.8Ω。由此可见，本实施方式得到的空气阴极片的总内阻值仅为原方法制作的空气阴极片的一半。

Claims (5)

1.一种微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，其特征在于：所述空气阴极片由扩散层、不锈钢网和催化层组成叠层结构，步骤如下：
1)将粉末状导电碳黑与无水乙醇混合，超声搅拌10min，以使导电碳黑充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅拌的条件下，逐滴加入聚四氟乙烯乳液，再超声搅拌10min；
2)将上述混合物质于80℃水浴条件下搅拌40min以使其成为胶团状，将其用手轻轻的揉捏使多余的无水乙醇溢出，并使胶团状物质均匀有弹性，然后在辊压机上不断辊压，在辊压的过程中喷洒蒸馏水以保证其粘结度，将压制成的薄片置于马弗炉中，在340℃下加热25min使聚四氟乙烯熔化挥发形成孔隙，制得扩散层；
3)将粉末状电容活性碳粉与无水乙醇混合，超声搅拌10min，以使电容活性碳粉充分分散和溶解在无水乙醇中，在超声搅拌的条件下，逐滴加入聚四氟乙烯乳液，再超声搅拌10min；
4)将上述混合物质在80℃水浴条件下搅拌3h，加入无水乙醇使其成为胶团状，将其在辊压机上不断辊压，直至压制成薄片，制得催化层；
5)将催化层与60目不锈钢网在辊压机上辊压以使催化层能够充分嵌入到不锈钢网中，然后将扩散层压制到不锈钢网的另一面，即可制得微生物燃料电池空气阴极片。
2.根据权利要求1所述微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯乳液的浓度为为1.5g/mL。
3.根据权利要求1所述微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，其特征在于：所述导电碳黑与无水乙醇的质量比为1:16，导电碳黑与聚四氟乙烯乳液的质量比为3∶7。
4.根据权利要求1所述微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，其特征在于：所述电容活性碳粉与无水乙醇的质量比为1:6，电容活性碳粉与聚四氟乙烯乳液的质量比为6∶1。
5.根据权利要求1所述微生物燃料电池空气阴极片的制备方法，其特征在于：所述扩散层和催化层的厚度均为0.5mm。
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