空氣陰極以及微生物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及環(huán)境、材料、能源領(lǐng)域，具體地，本實(shí)用新型涉及空氣陰極以及微 生物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境問題與能源問題是當(dāng)代社會(huì)發(fā)展面臨的兩大難題，凈化污水的同時(shí)兼顧能源 回收是污水處理技術(shù)面對的新挑戰(zhàn)。微生物燃料電池是一種新興的污水處理技術(shù)，能夠在 處理污水的同時(shí)將污染物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，利用附著在陽極的產(chǎn)電微生物將污水中 的有機(jī)物氧化，同時(shí)陰極接受電子完成氧還原反應(yīng)。在微生物燃料電池的陰極中，空氣陰極 由于能夠?qū)崿F(xiàn)空氣中氧氣的直接擴(kuò)散、傳質(zhì)，并節(jié)省了大量的曝氣能耗而受到了廣泛關(guān)注。
[0003] 然而，目前用于微生物燃料電池的空氣陰極以及微生物燃料電池的催化效率以及 電池性能仍有待提高。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本申請是基于發(fā)明人對以下事實(shí)和問題的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)作出的：
[0005] 目前的空氣陰極中，普遍存在制備過程復(fù)雜的問題，通常需要將電極材料進(jìn)行多 次揉壓或涂刷等操作以便使其成型。并且由于制備過程復(fù)雜，在制備催化劑層時(shí)通常需要 較大的催化劑材料負(fù)載量，以便滿足空氣陰極的制備過程中的需求以及空氣陰極本身對于 催化性能的要求。發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這是由于構(gòu)成催化劑層的材料 多是粉末狀材料，因此需要在制備空氣陰極的過程對其進(jìn)行一系列成型處理，才能夠?qū)⒃?粉末狀材料復(fù)合到空氣陰極中。此外，在制備催化劑層的過程中需要添加粘結(jié)劑以便增強(qiáng) 催化劑層材料的接觸，并且能夠更好地通過揉壓、直壓、涂刷等方法進(jìn)行成型處理。然而，上 述粘結(jié)劑材料通常為電子的絕緣體，因此粘結(jié)劑的添加也會(huì)對空氣陰極的導(dǎo)電性能造成一 定影響。
[0006] 本實(shí)用新型旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0007] 在本實(shí)用新型的一個(gè)方面，本實(shí)用新型提出了一種空氣陰極。具體地，該空氣陰極 包括:催化劑層，所述催化劑層所述催化劑層含有氮摻雜石墨烯；以及擴(kuò)散層。由此，可以由 氮摻雜石墨烯為該空氣陰極提供具有良好催化性能的催化劑層，并且該空氣制備過程簡 便，催化劑層無需添加粘結(jié)劑進(jìn)行揉壓成型，進(jìn)而可以提高該空氣陰極的電極性能。
[0008] 具體地，該空氣陰極還可以進(jìn)一步具有下列附加技術(shù)特征至少之一：
[0009] 具體地，該空氣陰極進(jìn)一步包括:集電層，其中，所述集電層是由不銹鋼形成的，所 述集電層設(shè)置在所述擴(kuò)散層以及所述催化劑層之間，所述催化劑層以及所述擴(kuò)散層設(shè)置在 所述集電層的同一側(cè)。。由此，可以通過集電層增強(qiáng)該空氣陰極的導(dǎo)電性能，進(jìn)而進(jìn)一步提 高該空氣陰極的性能。
[0010] 具體地，該空氣陰極進(jìn)一步包括:支撐層，所述支撐層設(shè)置在所述擴(kuò)散層以及所述 催化劑層之間，所述支撐層是由不銹鋼形成的。由此，可以為該空氣陰極提供可靠的支撐。
[0011] 具體地，所述催化劑層形成在所述集電層的一側(cè)，所述支撐層形成在所述催化劑 層遠(yuǎn)離所述集電層的一側(cè)，所述擴(kuò)散層形成在所述支撐層遠(yuǎn)離所述催化劑層的一側(cè)。由此， 可以通過集電層以及支撐層為催化劑層和擴(kuò)散層提供良好的支撐以及保護(hù)，同時(shí)提高該空 氣陰極的電極導(dǎo)電性，進(jìn)而可以進(jìn)一步提高該空氣陰極的電極性能。
[0012] 具體地，該空氣陰極中，所述催化劑層中不含粘結(jié)劑。由此，可以提高催化劑層的 導(dǎo)電性能，進(jìn)而進(jìn)一步提高該空氣陰極的電極性能。
[0013] 具體地，在該空氣陰極中，所述催化劑層中，所述氮摻雜石墨烯的負(fù)載量不大于 2.5iig/cm2。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在該空氣陰極中，可以在催化劑層催化活性成分含量較少的前提 下達(dá)到較好的催化效果，從而，節(jié)省了該空氣陰極的生產(chǎn)成本，并保證了該空氣陰極的電極 性能不受影響。
[0014] 具體地，所述催化劑層包括所述催化劑層包括金屬基底以及所述氮摻雜石墨烯， 所述氮摻雜石墨烯負(fù)載在所述金屬基底上。由此，可以將含有氮摻雜石墨烯的金屬基底直 接作為催化劑層，進(jìn)而避免了復(fù)雜的成型操作，并且由于該催化劑層中含有金屬基底，進(jìn)而 進(jìn)一步提高了催化劑層的導(dǎo)電性能，進(jìn)而可以進(jìn)一步提高該空氣陰極的電極性能。
[0015] 在本實(shí)用新型的又一方面，本實(shí)用新型提出了一種微生物燃料電池。具體地，該微 生物燃料電池包括:殼體，所述殼體中限定出反應(yīng)空間；陽極，所述陽極設(shè)置在所述反應(yīng)空 間中；產(chǎn)電微生物，所述產(chǎn)電微生物附著在所述陽極的外表面；以及前面所述的空氣陰極， 所述空氣陰極設(shè)置在所述反應(yīng)空間中，并且所述空氣陰極與所述陽極電連接。由此，可以提 高利用該空氣陰極作為電池陰極的微生物燃料電池的使用效果。
[0016] 在本實(shí)用新型的另一方面，本實(shí)用新型提出了前面描述的微生物燃料電池在處理 水性介質(zhì)中的用途。由此，可以利用上述微生物燃料電池處理例如污水等水性介質(zhì)，進(jìn)而可 以提高污水處理的效率以及效果。
【附圖說明】
[0017] 圖1顯示了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2顯示了根據(jù)本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖3顯示了根據(jù)本實(shí)用新型又一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4顯示了根據(jù)本實(shí)用新型又一個(gè)實(shí)施例的空氣陰極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖5顯示了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6顯示了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的催化劑層的掃描電子顯微鏡照片；
[0023]圖7顯示了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的催化劑層的掃描電子顯微鏡照片；
[0024]圖8顯示了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的氮摻雜石墨烯的拉曼光譜圖以及分析圖； [0025]圖9顯示了根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的氮摻雜石墨烯的X射線光電子能譜(XPS) 測試結(jié)果圖；
[0026]圖10顯示了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的空氣陰極電化學(xué)線性掃描伏安曲線；
[0027] 圖11顯示了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的微生物燃料電池電流密度-面功率密度曲線 圖；
[0028] 圖12顯示了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的微生物燃料電池電流密度-陰極電勢曲線 圖；
[0029]圖13顯示了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的微生物燃料電池陰極內(nèi)阻柱狀圖；
[0030] 附圖標(biāo)記：
[0031] 10:催化劑層
[0032] 20:擴(kuò)散層
[0033] 30:集電層
[0034] 40:支撐層
[0035] 100:殼體
[0036] 200:陽極
[0037] 300:陰極
[0038] 400:產(chǎn)電微生物
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出。下面通過 參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本實(shí)用新型，而不能理解為對本實(shí)用新 型的限制。
[0040] 在本實(shí)用新型的一個(gè)方面，本實(shí)用新型提出了一種空氣陰極。下面對該空氣陰極 的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述。參考圖1，根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，該空氣陰極包括:催化劑層 10以及擴(kuò)散層20。具體地，催化劑層10是包含氮摻雜石墨烯，以便提高催化劑層10的催化效 果;擴(kuò)散層20用于促進(jìn)氧氣的傳輸以及防止液態(tài)水從空氣陰極中溢出。具體地，根據(jù)本實(shí) 用新型的實(shí)施例，該空氣陰極的擴(kuò)散層20與空氣相接觸（圖中未示出），以便將空氣中的氧 氣傳遞到空氣陰極中，并利用催化劑層10催化氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該空氣陰極的 使用功能。由此，可以由氮摻雜石墨烯為該空氣陰極提供具有良好催化性能的催化劑層，并 且該空氣制備過程簡便，催化劑層無需添加粘結(jié)劑進(jìn)行揉壓成型，進(jìn)而可以提高該空氣陰 極的電極性能。
[0041] 根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，催化劑層10可以包括金屬基底以及氮摻雜石墨烯，其 中氮摻雜石墨烯負(fù)載在金屬基底上。例如，根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，該金屬基底可以為鎳 網(wǎng)或者泡沫鎳。由此，可以采用含有氮摻雜石墨烯的鎳網(wǎng)直接作為催化劑層10使用，氮摻雜 石墨烯作為具有催化活性的物質(zhì)可以催化氧氣