一種抗菌型空氣陰極的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明是關于微生物燃料電池領域，特別涉及一種抗菌型空氣陰極的制備方法。
【背景技術】
[0002] 微生物燃料電池（MicrobialFuelCell,簡稱MFC)是一種利用微生物為催化劑， 直接將儲存在廢水中的化學能轉化為電能的裝置，在污水處理、電解制氫、微生物傳感器、 海水淡化等方面具有巨大的應用潛力。單室空氣陰極微生物燃料電池結構簡單，制造成本 低，內阻小，產電功率高，易于擴大化，是目前最有應用前景的MFC構型之一。
[0003] 微生物燃料電池的長期穩定性在實際應用中十分關鍵，然而目前單室空氣陰極 MFC的產電功率在運行一段時間后會不斷降低，造成這一現象的主要原因是空氣陰極的性 能不斷下降。在單室MFC中，空氣陰極的催化層直接與電解液接觸，電解液中含有大量的懸 浮細菌，由于催化層的主要成分是生物相容性良好的碳材料（質量分數70% -90% )，因此 催化層表面極易生長微生物，形成一層好氧生物膜。隨著運行時間的增長，陰極生物膜會逐 漸變厚，阻礙電解液中的質子向催化中心的傳輸；阻礙催化中心產生的OF向電解液傳輸， 造成催化層微環境的堿化；生物膜中的好氧微生物會消耗一部分氧氣，降低催化中心的氧 氣濃度；另外微生物分泌的胞外聚合物（如蛋白質，核酸等）擴散到催化層，可能會影響催 化層的催化劑活性或改變催化層的親疏水性和孔隙分布，從而影響催化層的氧氣催化還原 性能。許多研宄已經發現，將陰極生物膜去除后，單室空氣陰極MFC的產電功率可以提高 10 %?30%。因此有效抑制空氣陰極上微生物的生長對于單室MFC的長期穩定性十分重 要，然而目前該方面的報道還非常少。
【發明內容】
[0004] 本發明的主要目的在于克服現有技術中的不足，提供一種能有效抑制空氣陰極上 微生物的生長，從而提高空氣陰極和微生物燃料電池的長期穩定性的微生物燃料電池的制 備方法。為解決上述技術問題，本發明的解決方案是：
[0005] 提供一種抗菌型空氣陰極的制備方法，具體包括下述制備步驟：
[0006] 步驟一：制備氣體擴散層：取導電炭黑和質量分數為60%的PTFE(聚四氟乙烯） 乳液以質量比為1:1混合成膏狀后，涂覆在集電體的一側，然后將涂覆好的集電體置于馬 弗爐中，在370°C下加熱20min，集電體上涂覆有膏狀混合物的一側形成碳層；
[0007] 再將質量分數為60%的PTFE乳液均勻涂覆在集電體形成的碳層上，將涂覆好的 集電體置于馬弗爐中，在370 °C下加熱20min，再重復涂覆質量分數為60 %的PTFE乳液并煅 燒三次，即共涂覆質量分數為60%的PTFE乳液并煅燒四次后，集電體上形成氣體擴散層；
[0008] 所述集電體采用泡沫鎳集電體或者不銹鋼網集電體；
[0009] 步驟二：根據集電體的選用情況，分別采用兩種方法制備催化層：
[0010] ⑴集電極采用泡沫鎳集電體：取催化劑、導電炭黑、異丙醇、質量分數為30%的 PTFE溶液混合，震蕩攪拌成粘稠狀后，均勻涂覆在泡沫鎳集電體上氣體擴散層的對立側，然 后將涂好的泡沫鎳集電體置于馬弗爐中，在370°C下煅燒30min，自然冷卻后，泡沫鎳集電 體上形成催化層；
[0011] 其中，催化劑、導電炭黑、異丙醇和PTFE(聚四氟乙烯）的質量比為1 :0. 05 :1.6 : (0. 7?1. 0);所述催化劑采用超級電容器活性炭、鉑碳催化劑或者炭載二氧化錳催化劑；
[0012] (2)集電極采用不銹鋼網集電體：將催化劑、導電炭黑、異丙醇和質量分數為30% 的PTFE溶液混合，震蕩攪拌成面團狀，再超聲震蕩30min，然后將團狀混合物置于80°C的水 浴鍋中水浴蒸干，用壓力機將蒸干后的混合物壓至1_厚薄片狀，再將薄片壓合在不銹鋼 網集電體上氣體擴散層的對立側；再將處理后的不銹鋼網集電體置于馬弗爐中，在370°C 下煅燒30min，自然冷卻后，不銹鋼網集電體上形成催化層；
[0013] 其中，催化劑、導電炭黑、異丙醇和PTFE的質量比為1 :0. 05 :2. 3 : (0.4?1.0);所 述催化劑采用超級電容器活性炭、鉑碳催化劑或者炭載二氧化錳催化劑；
[0014] 步驟三：制備抗菌型空氣陰極：取抗生素溶液均勻地涂布在集電體的催化層表 面，并保證抗生素在催化層表面的涂布量為1. 0?5.Omg/m2;然后將集電體放置在烘箱中 于80°C下烘干40min，自然冷卻后形成抗菌催化層，再用壓力機將整個集電體壓制到厚度 為1.Omm?2. 0_，即得到抗菌型空氣陰極；
[0015] 所述抗生素為非水溶性的廣譜抗生素，包括氟喹諾酮類（恩諾沙星、諾氟沙星、氟 羅沙星、氧氟沙星、環丙沙星、氟羅沙星等）、多肽類（硫肽霉素、那西肽等）、大環內酯類 (紅霉素、羅紅霉素、乙酰螺旋霉素、阿奇霉素等）、聚醚類（鹽霉素、尼日利亞菌素等）、磺胺 類（磺胺二甲喃啶、磺胺喃啶、磺胺甲噁挫、磺胺甲氧喃啶、磺胺二甲氧喃啶、酞磺胺噻唑、 磺胺嘧啶銀等）抗生素。
[0016] 在本發明中，所述泡沫鎳集電體采用孔徑為2?10mm、面密度為200?500g/m2的 泡沫鎳集電體；不銹鋼網集電體采用不銹鋼網目數為50?200目的不銹鋼網集電體。
[0017] 在本發明中，所述步驟二采用的催化劑中，超級電容器活性炭采用粒徑為5? 10ym、比表面積為1800?3000m2/g的超級電容器活性炭，鉑碳催化劑采用鉑含量為1 %? 10%的鉑碳催化劑，炭載二氧化錳催化劑采用二氧化錳含量為1%?15%的炭載二氧化錳 催化劑。
[0018] 在本發明中，所述步驟三中，抗生素溶液采用噴槍噴涂或旋轉涂布。
[0019] 在本發明中，所述步驟三中的抗生素溶液采用質量濃度為10 %?60 %的抗生素 溶液。
[0020] 在本發明中，所述抗菌型空氣陰極的厚度為1.Omm、1. 5mm或2.Omm。
[0021] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0022] 1、與普通的空氣陰極相比，此抗菌型空氣陰極可以有效抑制空氣陰極催化層上微 生物的生長，從而大大提高空氣陰極和單室微生物燃料電池的長期穩定性。
[0023] 2、制備方法簡單，不需要復雜設備即可完成，利于大批量生產。
[0024] 3、利用本發明制備的抗菌型空氣陰極抗菌效果穩定，可有效抑制陰極微生物生長 達3個月以上。
【附圖說明】
[0025] 圖1為實施例中微生物燃料電池的結構示意圖。
[0026] 圖2為MFC運行不同時間后，普通陰極和抗菌型陰極催化層表面上生物膜的生物 量比較圖。
[0027] 圖3為MFC運行不同時間后，使用普通陰極的微生物燃料電池的功率密度曲線圖。
[0028]圖4為MFC運行不同時間后，使用實施例1的抗菌型陰極的微生物燃料電池的功 率密度曲線圖。
[0029] 圖5為MFC運行不同時間后，使用實施例2的抗菌型陰極的微生物燃料電池的功 率密度曲線圖。
[0030] 圖中的附圖標記為：1電池殼體；2碳刷陽極；3空氣陰極；4鈦片集電體；5進液/ 出液口；6外接電阻。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述：
[0032] 一種抗菌型空氣陰極的制備方法，具體包括下述制備步驟：
[0033] 步驟一：制備氣體擴散層：取導電炭黑和質量分數為60%的PTFE乳液（聚四氟乙 烯乳液）以質量比為1:1混合成膏狀后，涂覆在集電體的一側，然后將涂覆好的集電體置 于馬弗爐中，在370°C下加熱20min，集電體上涂覆有膏狀混合物的一側形成碳層；再將質 量分數為60%的PTFE乳液均勻涂覆在形成的碳層上，將涂覆好的集電體