CN104577143A - 一种抗菌型空气阴极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微生物燃料电池领域，旨在提供一种抗菌型空气阴极的制备方法。该种抗菌型空气阴极的制备方法包括步骤：取导电炭黑和PTFE乳液混合后涂覆在集电体的一侧，加热形成碳层，再将四次涂覆PTFE乳液并煅烧后，集电体上形成气体扩散层；取催化剂、导电炭黑、异丙醇、PTFE溶液混合后涂覆在集电体上气体扩散层的对立侧，煅烧冷却后，集电体上形成催化层；取抗生素溶液涂布在集电体上的催化层表面，然后将集电体烘干冷却，再用压力机压制，即得到抗菌型空气阴极。本发明制备的抗菌型空气阴极可以有效抑制空气阴极催化层上微生物的生长，从而大大提高空气阴极和单室微生物燃料电池的长期稳定性。

Description

一种抗菌型空气阴极的制备方法
技术领域
本发明是关于微生物燃料电池领域，特别涉及一种抗菌型空气阴极的制备方法。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是一种利用微生物为催化剂，直接将储存在废水中的化学能转化为电能的装置，在污水处理、电解制氢、微生物传感器、海水淡化等方面具有巨大的应用潜力。单室空气阴极微生物燃料电池结构简单，制造成本低，内阻小，产电功率高，易于扩大化，是目前最有应用前景的MFC构型之一。
微生物燃料电池的长期稳定性在实际应用中十分关键，然而目前单室空气阴极MFC的产电功率在运行一段时间后会不断降低，造成这一现象的主要原因是空气阴极的性能不断下降。在单室MFC中，空气阴极的催化层直接与电解液接触，电解液中含有大量的悬浮细菌，由于催化层的主要成分是生物相容性良好的碳材料(质量分数70％-90％)，因此催化层表面极易生长微生物，形成一层好氧生物膜。随着运行时间的增长，阴极生物膜会逐渐变厚，阻碍电解液中的质子向催化中心的传输；阻碍催化中心产生的OH-向电解液传输，造成催化层微环境的碱化；生物膜中的好氧微生物会消耗一部分氧气，降低催化中心的氧气浓度；另外微生物分泌的胞外聚合物(如蛋白质，核酸等)扩散到催化层，可能会影响催化层的催化剂活性或改变催化层的亲疏水性和孔隙分布，从而影响催化层的氧气催化还原性能。许多研究已经发现，将阴极生物膜去除后，单室空气阴极MFC的产电功率可以提高10％～30％。因此有效抑制空气阴极上微生物的生长对于单室MFC的长期稳定性十分重要，然而目前该方面的报道还非常少。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能有效抑制空气阴极上微生物的生长，从而提高空气阴极和微生物燃料电池的长期稳定性的微生物燃料电池的制备方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种抗菌型空气阴极的制备方法，具体包括下述制备步骤：
步骤一：制备气体扩散层：取导电炭黑和质量分数为60％的PTFE(聚四氟乙烯)乳液以质量比为1:1混合成膏状后，涂覆在集电体的一侧，然后将涂覆好的集电体置于马弗炉中，在370℃下加热20min，集电体上涂覆有膏状混合物的一侧形成碳层；
再将质量分数为60％的PTFE乳液均匀涂覆在集电体形成的碳层上，将涂覆好的集电体置于马弗炉中，在370℃下加热20min，再重复涂覆质量分数为60％的PTFE乳液并煅烧三次，即共涂覆质量分数为60％的PTFE乳液并煅烧四次后，集电体上形成气体扩散层；
所述集电体采用泡沫镍集电体或者不锈钢网集电体；
步骤二：根据集电体的选用情况，分别采用两种方法制备催化层：
(1)集电极采用泡沫镍集电体：取催化剂、导电炭黑、异丙醇、质量分数为30％的PTFE溶液混合，震荡搅拌成粘稠状后，均匀涂覆在泡沫镍集电体上气体扩散层的对立侧，然后将涂好的泡沫镍集电体置于马弗炉中，在370℃下煅烧30min，自然冷却后，泡沫镍集电体上形成催化层；
其中，催化剂、导电炭黑、异丙醇和PTFE(聚四氟乙烯)的质量比为1：0.05：1.6：(0.7～1.0)；所述催化剂采用超级电容器活性炭、铂碳催化剂或者炭载二氧化锰催化剂；
(2)集电极采用不锈钢网集电体：将催化剂、导电炭黑、异丙醇和质量分数为30％的PTFE溶液混合，震荡搅拌成面团状，再超声震荡30min，然后将团状混合物置于80℃的水浴锅中水浴蒸干，用压力机将蒸干后的混合物压至1mm厚薄片状，再将薄片压合在不锈钢网集电体上气体扩散层的对立侧；再将处理后的不锈钢网集电体置于马弗炉中，在370℃下煅烧30min，自然冷却后，不锈钢网集电体上形成催化层；
其中，催化剂、导电炭黑、异丙醇和PTFE的质量比为1：0.05：2.3：(0.4～1.0)；所述催化剂采用超级电容器活性炭、铂碳催化剂或者炭载二氧化锰催化剂；
步骤三：制备抗菌型空气阴极：取抗生素溶液均匀地涂布在集电体的催化层表面，并保证抗生素在催化层表面的涂布量为1.0～5.0mg/m2；然后将集电体放置在烘箱中于80℃下烘干40min，自然冷却后形成抗菌催化层，再用压力机将整个集电体压制到厚度为1.0mm～2.0mm，即得到抗菌型空气阴极；
所述抗生素为非水溶性的广谱抗生素，包括氟喹诺酮类(恩诺沙星、诺氟沙星、氟罗沙星、氧氟沙星、环丙沙星、氟罗沙星等)、多肽类(硫肽霉素、那西肽等)、大环内酯类(红霉素、罗红霉素、乙酰螺旋霉素、阿奇霉素等)、聚醚类(盐霉素、尼日利亚菌素等)、磺胺类(磺胺二甲嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺甲氧嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、酞磺胺噻唑、磺胺嘧啶银等)抗生素。
在本发明中，所述泡沫镍集电体采用孔径为2～10mm、面密度为200～500g/m2的泡沫镍集电体；不锈钢网集电体采用不锈钢网目数为50～200目的不锈钢网集电体。
在本发明中，所述步骤二采用的催化剂中，超级电容器活性炭采用粒径为5～10μm、比表面积为1800～3000m2/g的超级电容器活性炭，铂碳催化剂采用铂含量为1％～10％的铂碳催化剂，炭载二氧化锰催化剂采用二氧化锰含量为1％～15％的炭载二氧化锰催化剂。
在本发明中，所述步骤三中，抗生素溶液采用喷枪喷涂或旋转涂布。
在本发明中，所述步骤三中的抗生素溶液采用质量浓度为10％～60％的抗生素溶液。
在本发明中，所述抗菌型空气阴极的厚度为1.0mm、1.5mm或2.0mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与普通的空气阴极相比，此抗菌型空气阴极可以有效抑制空气阴极催化层上微生物的生长，从而大大提高空气阴极和单室微生物燃料电池的长期稳定性。
2、制备方法简单，不需要复杂设备即可完成，利于大批量生产。
3、利用本发明制备的抗菌型空气阴极抗菌效果稳定，可有效抑制阴极微生物生长达3个月以上。
附图说明
图1为实施例中微生物燃料电池的结构示意图。
图2为MFC运行不同时间后，普通阴极和抗菌型阴极催化层表面上生物膜的生物量比较图。
图3为MFC运行不同时间后，使用普通阴极的微生物燃料电池的功率密度曲线图。
图4为MFC运行不同时间后，使用实施例1的抗菌型阴极的微生物燃料电池的功率密度曲线图。
图5为MFC运行不同时间后，使用实施例2的抗菌型阴极的微生物燃料电池的功率密度曲线图。
图中的附图标记为：1电池壳体；2碳刷阳极；3空气阴极；4钛片集电体；5进液/出液口；6外接电阻。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
一种抗菌型空气阴极的制备方法，具体包括下述制备步骤：
步骤一：制备气体扩散层：取导电炭黑和质量分数为60％的PTFE乳液(聚四氟乙烯乳液)以质量比为1:1混合成膏状后，涂覆在集电体的一侧，然后将涂覆好的集电体置于马弗炉中，在370℃下加热20min，集电体上涂覆有膏状混合物的一侧形成碳层；再将质量分数为60％的PTFE乳液均匀涂覆在形成的碳层上，将涂覆好的集电体置于马弗炉中，在370℃下加热20min，共涂覆质量分数为60％的PTFE乳液并煅烧四次，集电体上形成气体扩散层。
所述集电体采用孔径为2～10mm、面密度为200～500g/m2的泡沫镍集电体或者不锈钢网目数为50～200目的不锈钢网集电体。
步骤二：根据集电体的选用情况，分别采用两种方法制备催化层：
(1)集电极采用泡沫镍集电体：取催化剂、导电炭黑、异丙醇、质量分数为30％的PTFE溶液(聚四氟乙烯溶液)混合，震荡搅拌成粘稠状后，均匀涂覆在泡沫镍集电体上气体扩散层的对立侧，然后将涂好的泡沫镍集电体置于马弗炉中，在370℃下煅烧30min，自然冷却后，泡沫镍集电体上形成催化层。
其中，催化剂、导电炭黑、异丙醇和PTFE(聚四氟乙烯)的质量比为1:0.05:1.6:(0.7～1.0)；所述催化剂采用粒径为5～10μm、比表面积为1800～3000m2/g的超级电容器活性炭、铂含量为1％～10％的铂碳催化剂或二氧化锰含量为1％～15％的炭载二氧化锰催化剂。
(2)集电极采用不锈钢网集电体：将催化剂、导电炭黑、异丙醇和30％PTFE溶液混合，震荡搅拌成面团状，超声震荡30min，然后将团状混合物置于80℃的水浴锅中水浴蒸干，然后用压力机将蒸干后的混合物压至1mm厚薄片状，再将薄片压合在不锈钢网集电体上扩散层的对立侧；再将处理后的不锈钢网集电体置于马弗炉中，在370℃下煅烧30min，自然冷却后，不锈钢网集电体上形成催化层。
其中，催化剂、导电炭黑、异丙醇和PTFE(聚四氟乙烯)的质量比为1:0.05:2.3:(0.4～1.0)；所述催化剂采用粒径为5～10μm、比表面积为1800～3000m2/g的超级电容器活性炭、铂含量为1％～10％的铂碳催化剂或二氧化锰含量为1％～15％的炭载二氧化锰催化剂。
步骤三：制备抗菌型空气阴极：取质量浓度10％～60％的抗生素溶液采用喷枪喷涂或旋转涂布，均匀地涂布在集电体的催化层表面，并保证抗生素在催化层表面的涂布量为1.0～5.0mg/m2；然后将集电体放置在烘箱中于80℃下烘干40min，自然冷却后形成抗菌催化层，再用压力机将整个集电体压制到厚度为1.0mm～2.0mm，优选厚度为1.0mm、1.5mm或2.0mm，即得到抗菌型空气阴极。
所述抗生素为非水溶性的广谱抗生素，包括氟喹诺酮类(恩诺沙星、诺氟沙星、氟罗沙星、氧氟沙星、环丙沙星、氟罗沙星等)、多肽类(硫肽霉素、那西肽等)、大环内酯类(红霉素、罗红霉素、乙酰螺旋霉素、阿奇霉素等)、聚醚类(盐霉素、尼日利亚菌素等)、磺胺类(磺胺二甲嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺甲氧嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、酞磺胺噻唑、磺胺嘧啶银等)抗生素。
下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。具体实施例的参数见下表：
验证本发明的抗菌型空气阴极在MFC中的抗菌效果及其对MFC产电性能的影响，具体过程如下：
将实施例1、2制备的抗菌型空气阴极应用到如图1所示的单室微生物燃料电池中。微生物燃料电池由电池壳体1、碳刷阳极2、空气阴极3、钛片集电体4、进液/出液口5和外接电阻6组成。反应器腔体为圆柱形，长4cm，横截面积7cm2，总容积28mL。碳刷阳极2和空气阴极3分别置于反应器的两端。碳刷阳极2呈圆柱形，直径约2cm，长径比1:1，由碳纤维丝围绕在金属钛丝上制成。
以一个工作良好的微生物燃料电池的阳极倒出液为反应器接种，接种液与阳极液(含有1g/L乙酸钠和50mM磷酸盐缓冲液)充分混合后加入到反应器中。让反应器在1000Ω外接电阻6下运行，每天为反应器更换新的阳极液，培养反应器3个月。分别在运行第4、9、20、42、58周期后测量MFC的功率密度度曲线，并测定阴极催化层表面上生物膜的生物量。
对比实施例：普通空气阴极的制备方法同实施例1，不同之处在于步骤(三)在催化层表面不喷涂恩诺沙星。
MFC运行不同时间后，普通空气阴极和抗菌型空气阴极催化层表面生物膜的生物量如图2所示，可见抗菌型空气阴极可以长效抑制催化层表面的微生物生长，运行3个月后实施例1和实施例2制备的抗菌型空气阴极上的生物量仅为普通阴极的43.8％和39.8％。用不同的空气阴极和碳刷阳极组成单室MFC，其功率密度曲线如图3、图4、图5所示。可见使用抗菌型空气阴极的MFC的产电稳定性明显提高，运行3个月后普通空气阴极MFC的最大功率密度下降了20.2％，而实施例1制备的抗菌型空气阴极MFC的最大功率密度仅下降了5.2％，实施例2制备的抗菌型空气阴极MFC的最大功率密度增加了9.3％。
另外，根据实验验证，将实施例1、2、3中采用的恩诺沙星或者诺氟沙星抗生素，替换成同样氟喹诺酮类抗生素中的氟罗沙星、氧氟沙星、环丙沙星或者氟罗沙星，也能达到本发明的效果；将实施例5中采用的硫肽霉素抗生素，替换成同样多肽类抗生素中的那西肽，也能达到本发明的效果；将实施例6中采用的罗红霉素抗生素，替换成同样大环内酯类抗生素中的红霉素、乙酰螺旋霉素或者阿奇霉素，也能达到本发明的效果；将实施例4中采用的盐霉素抗生素，替换成同样聚醚类抗生素中的尼日利亚菌素，也能达到本发明的效果；将实施例7、8中采用的磺胺嘧啶或者磺胺甲噁唑抗生素，替换成同样磺胺类抗生素中的磺胺二甲嘧啶、磺胺甲氧嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、酞磺胺噻唑或者磺胺嘧啶银，也能达到本发明的效果。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种抗菌型空气阴极的制备方法，其特征在于，具体包括下述制备步骤：
步骤一：制备气体扩散层：取导电炭黑和质量分数为60％的PTFE(聚四氟乙烯)乳液以质量比为1:1混合成膏状后，涂覆在集电体的一侧，然后将涂覆好的集电体置于马弗炉中，在370℃下加热20min，集电体上涂覆有膏状混合物的一侧形成碳层；
再将质量分数为60％的PTFE乳液均匀涂覆在集电体形成的碳层上，将涂覆好的集电体置于马弗炉中，在370℃下加热20min，再重复涂覆质量分数为60％的PTFE乳液并煅烧三次，即共涂覆质量分数为60％的PTFE乳液并煅烧四次后，集电体上形成气体扩散层；
所述集电体采用泡沫镍集电体或者不锈钢网集电体；
步骤二：根据集电体的选用情况，分别采用两种方法制备催化层：
(1)集电极采用泡沫镍集电体：取催化剂、导电炭黑、异丙醇、质量分数为30％的PTFE溶液混合，震荡搅拌成粘稠状后，均匀涂覆在泡沫镍集电体上气体扩散层的对立侧，然后将涂好的泡沫镍集电体置于马弗炉中，在370℃下煅烧30min，自然冷却后，泡沫镍集电体上形成催化层；
其中，催化剂、导电炭黑、异丙醇和PTFE(聚四氟乙烯)的质量比为1：0.05：1.6：(0.7～1.0)；所述催化剂采用超级电容器活性炭、铂碳催化剂或者炭载二氧化锰催化剂；
(2)集电极采用不锈钢网集电体：将催化剂、导电炭黑、异丙醇和质量分数为30％的PTFE溶液混合，震荡搅拌成面团状，再超声震荡30min，然后将团状混合物置于80℃的水浴锅中水浴蒸干，用压力机将蒸干后的混合物压至1mm厚薄片状，再将薄片压合在不锈钢网集电体上气体扩散层的对立侧；再将处理后的不锈钢网集电体置于马弗炉中，在370℃下煅烧30min，自然冷却后，不锈钢网集电体上形成催化层；
其中，催化剂、导电炭黑、异丙醇和PTFE的质量比为1：0.05：2.3：(0.4～1.0)；所述催化剂采用超级电容器活性炭、铂碳催化剂或者炭载二氧化锰催化剂；
步骤三：制备抗菌型空气阴极：取抗生素溶液均匀地涂布在集电体的催化层表面，并保证抗生素在催化层表面的涂布量为1.0～5.0mg/m2；然后将集电体放置在烘箱中于80℃下烘干40min，自然冷却后形成抗菌催化层，再用压力机将整个集电体压制到厚度为1.0mm～2.0mm，即得到抗菌型空气阴极；
所述抗生素为非水溶性的广谱抗生素，包括氟喹诺酮类、多肽类、大环内酯类、聚醚类、磺胺类抗生素。
2.根据权利要求1所述的一种抗菌型空气阴极的制备方法，其特征在于，所述泡沫镍集电体采用孔径为2～10mm、面密度为200～500g/m2的泡沫镍集电体；不锈钢网集电体采用不锈钢网目数为50～200目的不锈钢网集电体。
3.根据权利要求1所述的一种抗菌型空气阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤二采用的催化剂中，超级电容器活性炭采用粒径为5～10μm、比表面积为1800～3000m2/g的超级电容器活性炭，铂碳催化剂采用铂含量为1％～10％的铂碳催化剂，炭载二氧化锰催化剂采用二氧化锰含量为1％～15％的炭载二氧化锰催化剂。
4.根据权利要求1所述的一种抗菌型空气阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，抗生素溶液采用喷枪喷涂或旋转涂布。
5.根据权利要求1所述的一种抗菌型空气阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的抗生素溶液采用质量浓度为10％～60％的抗生素溶液。
6.根据权利要求1所述的一种抗菌型空气阴极的制备方法，其特征在于，所述抗菌型空气阴极的厚度为1.0mm、1.5mm或2.0mm。
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