一种利用石油焦制作微生物燃料电池空气阴极的方法技术

一种利用石油焦制作微生物燃料电池空气阴极的方法，涉及微生物燃料电池电极的制备，具体地说是一种用于微生物燃料电池的廉价高性能空气阴极及其制备方法。本发明专利技术利用石油焦作为原料制备微生物燃料电池空气阴极的方法，其催化活化层采用石油焦活化物制备，该空气阴极的制备方法如下步骤：石油焦的活化、空气扩散层的制备、催化活化层的制备、空气阴极的干燥。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术使用了石油焦活化物作为催化活化层的原材料，进一步大大降低了空气阴极的制作成本；实现了石油焦的资源化，实现了自然资源的充分利用；石油焦活化物相比之前的活性炭具有更大的比表面积和更高的催化活性，提高了微生物燃料电池的产电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微生物燃料电池电极的制备，具体地说是一种用于微生物燃料电池的廉价高性能空气阴极及其制备方法。
技术介绍
微生物燃料电池技术是一种近年来发展起来的新技术，它融合了污水处理技术和生物产电技术，能够在降解污水中污染物质的同时收获电能，因此，该技术极具应用前景。微生物燃料电池有双室和单室两种设计，但是现阶段应用广泛并且具有更好应用前景的是单室微生物燃料电池。这是由于单室微生物燃料电池设计更简洁，去除了中间的离子交换膜；没有了离子交换膜的电池成本得到了极大地降低；再者，单室设计采用了空气阴极的设计，能够能加方便自如地利用空气中的廉价氧气作为电子受体，省却了双室设计中的曝气过程。从电池规模化和大型化的发展方向上看，这种单室设计更加实用。影响微生物燃料电池性能的因素较多，环境因素、底物条件和电极材料等都会影响电池对于污水的处理和电能的产生。对于单室微生物燃料电池而言，影响其性能最关键的因素是空气阴极的性能。与空气阴极性能直接相关的则是阴极的制作技术和电极材料。采用廉价高效的电极材料，使用简单方便的制作方法，都可以促进微生物燃料电池性能的提高和在实际中的应用。最近微生物燃料电池空气阴极的制作取得了许多突破性进展。相对廉价的活性炭被用作制作空气阴极的材料，而且已经证明该材料具有很高的氧气催化还原性能。王鑫等人（中国专利CN102655235A）提出用辊压机将使用了聚四氟乙烯作为粘结剂的活性炭辊压在不锈钢网的一侧，另一侧使用聚四氟乙烯和石墨的混合辊压物作为空气扩散层。这个方法相比于此前的涂刷方法大大节省了电极制作的复杂程度，同时活性炭的使用避免了昂贵金属催化剂（铂）的使用，大大降低了电极的成本。但是市场上销售的活性炭价格仍然相对较高。石油焦是石油提炼过程中的副产物。作为一种废弃物，它的产量巨大同时价格低廉。主要成分为多环芳香烃。元素组成：C:91-99.5%,H:0.035-4%,S:0.5-8%,(N+O):1.3-3.8%。其余的为一些少量金属元素。石油焦的处理和再利用是现阶段的关键性问题。之前的研究已经证明，石油焦可以在KOH的条件下活化，制作比表面积高于普通活性炭的碳材料。此类碳材料如果能有一个广阔的应用领域，必将促进石油焦的再利用。因此，本专利技术将石油焦活化物用作空气阴极的催化活化层原材料，取得了良好的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的是在实现石油焦废弃物再利用的基础上，优化微生物燃料电池空气阴极的电极制作原材料，使用更加高效廉价的电极材料，促进微生物电池的应用推广。本专利技术提供了如下的解决方案：利用石油焦与KOH经过高温活化，活化物为微生物燃料电池空气阴极提供一种更加廉价而且高效的材料，不仅提高了微生物燃料电池性能和降低了成本，并使石油焦得到极大利用。本专利技术利用石油焦作为原料制备微生物燃料电池空气阴极的方法，其催化活化层采用石油焦活化物制备，该空气阴极的制备方法如下：（1）石油焦的活化首先将石油焦固体进行研磨将石油焦粉末与混合，在氮气的保护下进行活化；活化过程结束后，将活化产物冷却取出，冲洗，然后烘干；烘干后的活化产物研磨成粉末；（2）空气扩散层的制备导电炭黑与聚四氟乙烯混合后制备的弹性胶团作为空气扩散层压于不锈钢网的一面；（3）催化活化层的制备将步骤（1）制备得到的石油焦活化产物与聚四氟乙烯的混合物形成的弹性胶团作为阴极的催化活化层；将其压到不锈钢网的另一面，得到微生物燃料电池空气阴极；（4）空气阴极的干燥将制备得到的微生物燃料电池空气阴极置于干燥箱中80℃下干燥12-24小时。所述步骤（1）石油焦的活化中，石油焦粉末与KOH按照3-5:1的重量比例混合，在氮气的保护下进行活化；活化过程为200-400摄氏度的初步活化和600-1000摄氏度的最终活化；活化结束后，将活化产物在氮气条件下冷却，然后取出，使用去离子水冲洗，至pH中性后，置于干燥箱中烘干两天以上；烘干后，研磨成粉末，备用。所述步骤（2）空气扩散层的制备中，将导电炭黑浸没于无水乙醇中，超声条件下搅拌，搅拌均匀后，按照1:2-4重量比加入聚四氟乙烯，继续在超声条件下搅拌，至出现弹性胶团为止；将此胶团压片到不锈钢网表面，然后置于马弗炉中煅烧20-30min。所述步骤（3）催化活化层的制备中，将第一步制备得到的石油焦活化产物刚好浸没于无水乙醇中，超声条件下搅拌，使两者完全混合；在此基础上，加入3:6-8重量比聚四氟乙烯，继续超声条件下搅拌，至形成弹性胶团为止；将此胶团压为薄层后，将此薄层压到不锈钢网的另一面。本专利技术中，所述的石油焦活化物比表面积达到2213.45m2/g。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术使用了石油焦活化物作为催化活化层的原材料，进一步大大降低了空气阴极的制作成本。本专利技术实现了石油焦的资源化，实现了自然资源的充分利用。石油焦活化物相比之前的活性炭具有更大的比表面积和更高的催化活性，提高了微生物燃料电池的产电性能。附图说明图1为本专利技术中石油焦活化物（a）与普通活性炭（b）的SEM图。图2为使用石油焦活化物（粗线）和普通活性炭（细线）分别制备的空气阴极的线性扫描伏安曲线图。图3为分别安装了石油焦活化物空气阴极（圆形）和普通活性炭空气阴极（正方形）的单室微生物燃料电池的功率密度(空心)和极化曲线（实心）与电流密度的关系图。图4为分别安装了石油焦活化物空气阴极（圆形）和普通活性炭空气阴极（正方形）的单室微生物燃料电池阴阳极电势与电流密度的关系图。具体实施方式实施例1：本专利技术中的石油焦活化物空气阴极的制备方法包括如下步骤：石油焦的活化将石油焦固体放入球磨机中研磨至粒径200微米以下，作为下一步活化的原材料。将一定量的石油焦粉末与KOH按照重量比4:1混合，置于研钵中继续研磨，使两者能够均匀混合。混合后的粉末置于瓷舟中，放入管式炉中，在氮气的保护下进行活化。活化过程,包括初步活化和最终活化。初步活化是将管式炉温度以3℃/min的升温速度升高到300摄氏度并保持一个小时。最终活化为在初步活化的基础上，将管式炉温度以5℃/min的升温速度升高到800℃，并保持1个小时。两步活化过程结束后，将石油焦活化产物置于氮气环境中冷却，然后取出。使用去离子水冲洗，至pH接近中性后，置于干燥箱中80℃下烘干两天以上。烘干后的活化产物置于研钵中研磨成粉末，以备制作空气阴极催化活化层使用。空气扩散层的制作将导电炭黑浸没于一定量无水乙醇中，超声条件下搅拌，搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用石油焦作为原料制备微生物燃料电池空气阴极的方法，其特征在于，其催化活化层采用石油焦活化物制备，该空气阴极的制备方法如下：（1）石油焦的活化首先将石油焦固体进行研磨将石油焦粉末与混合，在氮气的保护下进行活化；活化过程结束后，将活化产物冷却取出，冲洗，然后烘干；烘干后的活化产物研磨成粉末；（2）空气扩散层的制备导电炭黑与聚四氟乙烯混合后制备的弹性胶团作为空气扩散层压于不锈钢网的一面；（3）催化活化层的制备将步骤（1）制备得到的石油焦活化产物与聚四氟乙烯的混合物形成的弹性胶团作为阴极的催化活化层；将其压到不锈钢网的另一面，得到微生物燃料电池空气阴极；（4）空气阴极的干燥将制备得到的微生物燃料电池空气阴极置于干燥箱中80℃下干燥12‑24小时。

【技术特征摘要】
1.一种利用石油焦作为原料制备微生物燃料电池空气阴极的方法，其特征在于，
其催化活化层采用石油焦活化物制备，该空气阴极的制备方法如下：
（1）石油焦的活化
首先将石油焦固体进行研磨将石油焦粉末与混合，在氮气的保护下进行活化；活化
过程结束后，将活化产物冷却取出，冲洗，然后烘干；烘干后的活化产物研磨成粉末；
（2）空气扩散层的制备
导电炭黑与聚四氟乙烯混合后制备的弹性胶团作为空气扩散层压于不锈钢网的一
面；
（3）催化活化层的制备
将步骤（1）制备得到的石油焦活化产物与聚四氟乙烯的混合物形成的弹性胶团作
为阴极的催化活化层；将其压到不锈钢网的另一面，得到微生物燃料电池空气阴极；
（4）空气阴极的干燥
将制备得到的微生物燃料电池空气阴极置于干燥箱中80℃下干燥12-24小时。
2.如权利要求1所述的利用石油焦作为原料制备微生物燃料电池空气阴极的方法，
其特征在于，所述步骤（1）石油焦的活化中，石油焦粉末与KOH按照3-5:1的重量比
例混合，在氮气的保护下进行活化；活化过...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克勋，张鹏，张希，陈志豪，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12