CN104600331B - 一种微生物燃料电池用磁性导电生物陶瓷电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微生物燃料电池用磁性导电生物陶瓷电极的制备方法，包括多孔陶瓷板的制备、阳极电极的制备、阴极电极的制备，并利用多孔陶瓷的优势和导电和生物相容性的特点，不仅增大了电极的表面积，而且具有生物磁性，有利于生物挂膜和脱膜，提高了生物膜在电极中的作用，并且具有防水性能好，导电性能好，透气性能好，合成成本低，制作时间短的特点，因此具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明属微生物燃料电池领域，具体涉及一种微生物燃料电池用磁性导电生物陶瓷电极的制备方法。
背景技术
微生物燃料电池（MFC）作为一种新型的生物质利用方式,借助微生物的催化作用把有机酸和糖类物质所含有的能量转化为电能，与生物柴油、生物产氧、燃料乙醇等生物质利用方式相比，有其独到的优势和特点，是一种可再生能源的优化利用方式。
在MFC中，阳极主要是为微生物提供生长的场所和接受传递过来的微生物产生的电子。研究表明阳极的材料不同，会影响微生物在样机上的生长和阳极上电子的传递。阴极是决定MFC产电性能的一个决定性因素，阴极的制作需要催化剂，因此对它的研究显得尤为重要，目前效果最好的阴极催化剂是铂。
因此阴极的设计是MFC发展和应用的一个重大的挑战。通常用做阳极的材料都可以用做阴极，如碳布、碳纸、碳刷、石墨棒、石墨刷等。但是目前的电极材质脆弱、容易被腐蚀、不耐酸耐碱、生物挂膜困难、容易将孔堵塞、离子交换效率会越来越低，从而降低了整个电池体系的转换效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种防水性能好、导电性能好、透气性能好、合成成本低、制作时间短的微生物燃料电池用多孔磁性导电生物陶瓷电极的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种微生物燃料电池用磁性导电生物陶瓷电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步 制备多孔陶瓷板：按重量百分比将粘土30%、石英砂30%、粉煤灰15%、树脂5%、长石20%倒入烧杯内后，经混合、造粒、过筛、压制成型、干燥、烧制获得多孔陶瓷板；
第二步 制备阳极电极：将石墨和纳米Fe3O4混合后，加入一定量的水玻璃溶液并搅拌均匀制得混合涂层，用毛刷将混合涂层涂在第一步制得的多孔陶瓷板上后烘干；
第三步 制备阴极电极：包括涂布碳基层、涂布扩散层、涂布催化层的制备，具体工艺如下：
（1）涂布碳基层：首先将第一步制得的多孔陶瓷板清洗干净，烘干备用，然后将一定量的炭黑粉末装入小烧杯中，并加入质量浓度为40% 的PTFE溶液，搅拌均匀后制得炭黑溶浆，再用画笔刷将炭黑溶浆均匀地涂布在多孔陶瓷板上，涂布完成后，经自然风干2个小时，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，热处理完成后取出经自然冷却至室温；
（2）涂布扩散层：用画笔刷把质量浓度为60% PTFE溶液均匀地涂布在上一步中已涂布了碳基层一侧的多孔陶瓷板上，在空气经自然风干，直至PTFE层完全变成白色，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，重复以上步骤3次，使PTFE层涂布4层；
（3）涂布催化层：将纳米Fe3O4粉末和石墨粉末混合，用画笔刷搅拌均匀后，加入质量浓度为5%的Nafion溶液和高纯异丙醇，搅拌均匀后，用画笔刷均匀地涂布催化层于多孔陶瓷板PTFE层的另一侧，涂布完成后自然风干至少24小时。
所述第一步中过筛的目数为40目。
所述第一步中压制成型的压力为20MPa。
所述第一步中干燥的温度为70℃。
所述第一步中烧制的温度为1250～1280℃。
所述第二步中石墨和纳米Fe3O4的重量比为5:3，所述水玻璃的添加量为石墨和纳米Fe3O4总质量的3倍，水玻璃的质量浓度为30%。
所述第二步中的烘干温度为70℃。
所述第三步的（1）中炭黑粉末与PTFE溶液的质量比为15%。
所述第三步的（3）中纳米Fe3O4粉末和石墨粉末的质量比为3:5。
所述第三步的（3）中Nafion溶液和高纯异丙醇的体积比为8:5。
本发明利用多孔陶瓷具有导电和生物相容性的特点，不仅增大了电极的表面积，而且具有生物磁性，有利于生物挂膜和脱膜，提高了生物膜在电极中的作用，并且具有防水性能好，导电性能好，透气性能好，合成成本低，制作时间短的特点，因此具有广阔的市场前景。
附图说明
图1多孔生物导电陶瓷空气阴极电极示意图。
具体实施方式
实施例1
一种微生物燃料电池用磁性导电生物陶瓷电极的制备方法，包括以下步骤：
第一步 制备多孔陶瓷板：按重量百分比将粘土30%、石英砂30%、粉煤灰15%、树脂5%、长石20%倒入烧杯内后，经混合、造粒、过40目筛、20MPa压制成型、70℃干燥、1260℃烧制获得多孔陶瓷板；
第二步 制备阳极电极：将2.5g石墨和1.5g纳米Fe3O4混合后，加入12g的质量浓度为30%的水玻璃溶液并搅拌均匀制得混合涂层，用毛刷将混合涂层涂在第一步制得的多孔陶瓷板上后于70℃烘干；
第三步 制备阴极电极：包括涂布碳基层、涂布扩散层、涂布催化层的制备，具体工艺如下：
（1）涂布碳基层：首先将第一步制得的多孔陶瓷板清洗干净，烘干备用，然后将3.0g的炭黑粉末装入小烧杯中，并加入20g质量浓度为40% 的PTFE溶液，搅拌均匀后制得炭黑溶浆，再用画笔刷将炭黑溶浆均匀地涂布在多孔陶瓷板上，涂布完成后，经自然风干2个小时，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，热处理完成后取出经自然冷却至室温；
（2）涂布扩散层：用画笔刷把质量浓度为60% PTFE溶液均匀地涂布在上一步中已涂布了碳基层一侧的多孔陶瓷板上，在空气经自然风干，直至PTFE层完全变成白色，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，重复以上步骤3次，使PTFE层涂布4层；
（3）涂布催化层：将1.5g纳米Fe3O4粉末和2.5 g石墨粉末混合，用画笔刷搅拌均匀后，加入40ml质量浓度为5%的Nafion溶液和25ml高纯异丙醇，搅拌均匀后，用画笔刷均匀地涂布催化层于多孔陶瓷板PTFE层的另一侧，涂布完成后自然风干至少24小时。
实施例2
一种微生物燃料电池用磁性导电生物陶瓷电极的制备方法，包括以下步骤：
第一步 制备多孔陶瓷板：按重量百分比将粘土30%、石英砂30%、粉煤灰15%、树脂5%、长石20%倒入烧杯内后，经混合、造粒、过40目筛、20MPa压制成型、70℃干燥、1280℃烧制获得多孔陶瓷板；
第二步 制备阳极电极：将2.0g石墨和1.2g纳米Fe3O4混合后，加入9.6g的质量浓度为30%的水玻璃溶液并搅拌均匀制得混合涂层，用毛刷将混合涂层涂在第一步制得的多孔陶瓷板上后于70℃烘干；
第三步 制备阴极电极：包括涂布碳基层、涂布扩散层、涂布催化层的制备，具体工艺如下：
（1）涂布碳基层：首先将第一步制得的多孔陶瓷板清洗干净，烘干备用，然后将4.5g的炭黑粉末装入小烧杯中，并加入30 g质量浓度为40% 的PTFE溶液，搅拌均匀后制得炭黑溶浆，再用画笔刷将炭黑溶浆均匀地涂布在多孔陶瓷板上，涂布完成后，经自然风干2个小时，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，热处理完成后取出经自然冷却至室温；
（2）涂布扩散层：用画笔刷把质量浓度为60% PTFE溶液均匀地涂布在上一步中已涂布了碳基层一侧的多孔陶瓷板上，在空气经自然风干，直至PTFE层完全变成白色，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，重复以上步骤3次，使PTFE层涂布4层；
（3）涂布催化层：将1.2g纳米Fe3O4粉末和 2.0g石墨粉末混合，用画笔刷搅拌均匀后，加入64ml质量浓度为5%的Nafion溶液和40ml高纯异丙醇，搅拌均匀后，用画笔刷均匀地涂布催化层于多孔陶瓷板PTFE层的另一侧，涂布完成后自然风干至少24小时。
Claims (10)
1.一种微生物燃料电池用磁性导电生物陶瓷电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步 制备多孔陶瓷板：按重量百分比将粘土30%、石英砂30%、粉煤灰15%、树脂5%、长石20%倒入烧杯内后，经混合、造粒、过筛、压制成型、干燥、烧制获得多孔陶瓷板；
第二步 制备阳极电极：将石墨和纳米Fe3O4混合后，加入一定量的水玻璃溶液并搅拌均匀制得混合涂层，用毛刷将混合涂层涂在第一步制得的多孔陶瓷板上后烘干；
第三步 制备阴极电极：包括涂布碳基层、涂布扩散层、涂布催化层的制备，具体工艺如下：
（1）涂布碳基层：首先将第一步制得的多孔陶瓷板清洗干净，烘干备用，然后将一定量的炭黑粉末装入小烧杯中，并加入质量浓度为40% 的PTFE溶液，搅拌均匀后制得炭黑溶浆，再用画笔刷将炭黑溶浆均匀地涂布在多孔陶瓷板上，涂布完成后，经自然风干2个小时，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，热处理完成后取出经自然冷却至室温；
（2）涂布扩散层：用画笔刷把质量浓度为60% PTFE溶液均匀地涂布在上一步中已涂布了碳基层一侧的多孔陶瓷板上，在空气经自然风干，直至PTFE层完全变成白色，然后将多孔陶瓷板在370℃温度下加热25 min，重复以上步骤3次，使PTFE层涂布4层；
（3）涂布催化层：将纳米Fe3O4粉末和石墨粉末混合，用画笔刷搅拌均匀后，加入质量浓度为5%的Nafion溶液和高纯异丙醇，搅拌均匀后，用画笔刷均匀地涂布催化层于多孔陶瓷板PTFE层的另一侧，涂布完成后自然风干至少24小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一步中过筛的目数为40目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一步中压制成型的压力为20MPa。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一步中干燥的温度为70℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一步中烧制的温度为1250～1280℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二步中石墨和纳米Fe3O4的质量比为5:3，所述水玻璃的添加量为石墨和纳米Fe3O4总质量3倍，水玻璃的质量浓度为30%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二步中的烘干温度为70℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三步的（1）中炭黑粉末的添加量为PTFE溶液质量的15%。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三步的（3）中纳米Fe3O4粉末和石墨粉末的质量比为3:5。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三步的（3）中Nafion溶液和高纯异丙醇的体积比为8:5。
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| CN104600331A (zh) | 2015-05-06 |
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