[0001] 本实用新型涉及生物电化学领域，具体涉及一种微生物燃料电池复合阴极。

[0002] 由于社会的快速工业化，化石燃料的使用和能源需求的差距正在不断增大；况且，大规模化石燃料的使用必然会带来严重的环境问题。

[0003] 微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）作为一种有前景的生物电化学技术，能够利用产电微生物作为生物催化剂降解有机废水的同时产生电能。在MFC阳极的产电微生物氧化有机物产生电子和质子，电子通过阳极、外循环达到阴极，质子则通过质子交换膜到达阴极与电子受体氧气发生反应产生电流。与传统燃料电池相比，MFC能够同时降解有机污染物和产电；具有阳极物料来源广泛、反应条件温和、安全环保等优点，是一种新型高效的技术，得到国内外学者的广泛关注。

[0004] 当前，MFC的构型有单室型、双室型、平流型、上流式和管式，在这些MFC中，由于单室型MFC以空气作为电子受体，有高的氧化还原电位、电子受体能够不断补充和性能优异等优点，因此单室MFC被广泛选用作为规模化实验的载体。

[0005] 然而，由于诸多因素的制约，MFC的输出功率仍旧很低，如阳极微生物的活性、阳极的密闭性、质子交换膜的选择和电极的材料。但是阴极的材料的选择成为了制约MFC产电的重要因素之一。通过在阴极适当的添加高活性的催化剂能够大幅度提高输出功率、显著改善MFC的产电性能。其中金属铂及其复合物展现了优秀的电催化活性，但是其昂贵的价格，易化学腐蚀和对微生物的敏感性极大的限制了其规模化应用。采用廉价金属氧化物与碳材料的复合产物代替金属铂是MFC阴极催化剂的研究重点。由于纳米MgO有高的表面活性和显著的催化活性且价格低廉，纳米MgO已经被广泛引用于超级电容器和催化剂领域。然而氧化镁的导电性较差，通过使用简单的方法与氧化石墨烯复合后能够改善其导电能力。而具有二维结构的氧化石墨烯具备高的电导率、巨大的表面积、良好的化学稳定性和迅速的电子迁移性等优点。氧化石墨烯复合金属材料由于良好的导电性、巨大的比表面积和极好的电子迁移性，成为MFC电极材料的最佳选择。实用新型内容

[0006] 本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种微生物燃料电池复合阴极，以代替包括传统贵金属修饰的微生物燃料电池阴极，使MFC的产电性能得到提高，该微生物燃料电池复合阴极成本低廉，且制备方法工艺简单。

[0007] 本实用新型的目的通过如下技术方案实现。

[0008] 一种微生物燃料电池复合阴极，由一侧至另一侧，依次包括催化层、碳布层、碳基层和扩散层；

[0009] 所述催化层的材料由氧化石墨烯/氧化镁复合材料、活性炭以及全氟磺酸构成。

[0010] 进一步地，所述微生物燃料电池复合阴极的总厚度为0.62 0.77mm。~

[0011] 进一步地，所述催化层中，氧化石墨烯/氧化镁复合材料、活性炭与全氟磺酸的质量比为1 1.5：10：0.51 0.60。~ ~

[0012] 进一步地，所述催化层的厚度为0.05 0.08mm。~

[0013] 进一步地，所述碳布层的材料为碳布，碳布层的厚度为0.38 0.43mm。~

[0014] 进一步地，所述碳基层的材料为乙炔黑与聚四氟乙烯的混合物，其中，乙炔黑与聚四氟乙烯的质量比为1：8 11mg/mg。~

[0015] 进一步地，所述碳基层的厚度为0.11 0.14mm。~

[0016] 进一步地，所述扩散层的材料为聚四氟乙烯。

[0017] 进一步地，所述扩散层的厚度为0.08 0.12mm。~

[0018] 所述的一种微生物燃料电池复合阴极应用于包括微生物燃料电池、锂电池或超级电容器。

[0019] 与现有技术相比较，本实用新型具有如下优点和有益效果：

[0020] （1）本实用新型微生物燃料电池复合阴极厚度为0.62 0.77mm。结构紧凑，体积小；~

[0021] （2）与贵金属铂及其合金材料相比，本实用新型原料来源广泛，价格较低；

[0022] （3）本实用新型微生物燃料电池复合阴极具有大的表面积、优秀的电导率和稳定的电子迁移，应用于微生物燃料电池中，成本较低，运行稳定，输出功率较高，与传统燃料电池相比，极大地增强了产电量，提高了功率密度，大大改善了电池性能；

[0023] （4）本实用新型微生物燃料电池复合阴极导电性好，电催化活性高，能广泛应用于包括微生物燃料电池、锂电池或超级电容器。

[0028] 以下结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步阐述，其目的在于详细地理解本实用新型的内容，而不是对本实用新型的限制。

[0029] 本实用新型微生物燃料电池复合阴极的结构示意图如图1所示，由一侧至另一侧，依次包括催化剂层1、碳布层2、碳基层3和扩散层4；催化层1的材料为氧化石墨烯/氧化镁复合材料、活性炭以及全氟磺酸的混合物；

[0030] 催化层1中，氧化石墨烯/氧化镁复合材料、活性炭与全氟磺酸的质量比为1 1.5：~
10：0.51 0.60mg/mg/mg，且催化层1的厚度为0.05 0.08mm；
~ ~

[0031] 碳布层2的材料为碳布，且碳布层2的厚度为0.38 0.43mm；~

[0032] 碳基层3的材料为乙炔黑与聚四氟乙烯的混合物，其中，乙炔黑与聚四氟乙烯的质量比为1：8 11mg/mg，且碳基层3的厚度为0.11 0.14mm；~ ~

[0033] 扩散层4的材料为聚四氟乙烯，且扩散层4的厚度为0.08 0.12mm；~

[0034] 本实用新型微生物燃料电池复合阴极的总厚度为0.62 0.77mm。~

[0035] 以下仅仅作为本实用新型的一些实例，所采用的氧化石墨烯通过如下方法制备得到，具体包括如下步骤：

[0036] （1）在冰水浴条件下，加入浓硫酸23ml、硝酸钠0.5g和制得的预氧化石墨0.5g，磁力搅拌器上溶解20min；

[0037] （2）每隔5min缓慢加入0.3g高锰酸钾，总共加入3g后，混合溶液在35℃条件下，水浴搅拌60min形成浓浆；

[0038] （3）在浓浆中加入40ml去离子水，90℃水浴中搅拌35min；加入100ml去离子水，搅拌均匀后，缓慢加入3ml 30wt%的双氧水，混合液出现气泡且变为黄色；

[0039] （4）将混合液用5wt%盐酸离心洗涤3次后，再用去离子水离心洗涤4次，于60℃干燥箱中干燥40h后，得到氧化石墨烯；

[0040] 实施例1

[0041] 氧化石墨烯/氧化镁复合材料的制备，具体包括如下步骤：

[0042] 取0.3g氧化石墨烯分散在300ml去离子水中，超声64min，然后按氧化镁与氧化石墨烯质量比为0.5:1投加氧化镁到分散液中，在搅拌速度为550rpm/min搅拌条件下，80℃水浴中加热60min，然后将得到的产物过滤后用去离子水洗涤6次，最后分别在50℃真空干燥箱中干燥28h，得到33.3wt% MgO/GO，测得该复合物的表面积为453m2/g；

[0043] 微生物燃料电池复合阴极的制备，具体包括如下步骤：

[0044] （1）碳基层的制备：

[0045] 将乙炔黑与42wt%的聚四氟乙烯溶液按固液比为1:12mg/ul混合，超声混合10min后，均匀涂抹于厚度为0.43mm的碳布上，乙炔黑在碳布上的涂布量按比例1.56mg/cm2，在370℃马弗炉中加热25min，得到负载的碳基层，其厚度为0.13mm；

[0046] （2）扩散层的制备：

[0047] 将65wt%的聚四氟乙烯溶液均匀涂抹在碳基层表面，晾干24h后，在370℃马弗炉中加热33min，得到负载的扩散层，其厚度为0.12mm；

[0048] （3）催化层的制备：

[0049] 将33.3wt% MgO/GO与活性炭按比例1.2:10混合后，按照与氧化石墨烯/氧化镁复合材料和活性炭的固体混合物的比值，按投加量0.83ul/mg添加去离子水，按投加量6.67ul/mg添加质量分数为5%的全氟磺酸溶液，按投加量3.33ul/mg添加质量分数为65%的异丙醇溶液，最后将混合均匀的溶液涂抹于碳布的另一侧，晾干24h后，制得厚度为0.075mm的催化层，得到基于33.3wt% MgO/GO 的复合阴极，其总厚度为0.755mm。

[0050] 实施例2

[0051] 氧化石墨烯/氧化镁复合材料的制备，具体包括如下步骤：

[0052] 取0.4 g氧化石墨烯分散在300ml去离子水中，超声45min，然后按氧化镁与氧化石墨烯的质量比为1:1投加氧化镁到分散液中，在搅拌速度为350rpm/min搅拌条件下，60℃水浴中加热90min，然后将得到的产物过滤后用去离子水洗涤4次，最后在55℃真空干燥箱中干燥24h，得到50 wt% MgO/GO, 测得该复合物的表面积为468m2/g；

[0053] （1）碳基层的制备：

[0054] 将乙炔黑与40wt%的聚四氟乙烯溶液按固液比为1:10mg/ul混合，超声混合5min后，均匀涂抹于厚度为0.41mm的碳布上，乙炔黑在碳布上的涂布量按比例1.56mg/cm2，在370℃马弗炉中加热20min，得到负载的碳基层，其厚度为0.11mm；

[0055] （2）扩散层的制备：

[0056] 将62wt%的聚四氟乙烯溶液均匀涂抹在碳基层表面，晾干24h后，在370℃马弗炉中加热40min，得到负载的扩散层，其厚度为0.10mm；

[0057] （3）催化层的制备：

[0058] 将50 wt% MgO/GO与活性炭按比例1.0:10混合后，按照与氧化石墨烯/氧化镁复合材料和活性炭的固体混合物的比值，按投加量0.83ul/mg添加去离子水，按投加量6.67ul/mg添加质量分数为5%的全氟磺酸溶液，按投加量3.33ul/mg添加质量分数为55%的异丙醇溶液，最后将混合均匀的溶液涂抹于碳布的另一侧，晾干24h后，制得厚度为0.05mm的催化层，得到基于50 wt% MgO/GO的复合阴极，其总厚度为0.67mm。

[0059] 实施例3

[0060] 氧化石墨烯/氧化镁复合材料的制备，具体包括如下步骤：

[0061] 取0.5g氧化石墨烯分散在300ml去离子水中，超声75min，然后按氧化镁与氧化石墨烯的质量比为2:1投加氧化镁到分散液中，在68℃水浴中加热100min，同时搅拌速度为420rpm/min，然后将得到的产物过滤后用去离子水洗涤5次，最后在60℃真空干燥箱中干燥
20h，得到66.7 wt% MgO/GO, 测得该复合物的表面积为436m2/g；

[0062] （1）碳基层的制备：

[0063] 将乙炔黑与38wt%的聚四氟乙烯溶液按固液比为1:13mg/ul混合，超声混合8min后，均匀涂抹于厚度为0.38mm的碳布上，乙炔黑在碳布上的涂布量按比例1.56mg/cm2，在370℃马弗炉中加热35min，得到负载的碳基层，其厚度为0.14mm；

[0064] （2）扩散层的制备：

[0065] 将58wt%的聚四氟乙烯溶液均匀涂抹在碳基层表面，晾干24h后，在370℃马弗炉中加热25min，得到负载的扩散层，其厚度为0.08mm；

[0066] （3）催化层的制备：

[0067] 将66.7 wt% MgO/GO与活性炭按比例1.5:10混合后，按照与氧化石墨烯/氧化镁复合材料和活性炭的固体混合物的比值，按投加量0.83ul/mg添加去离子水，按投加量6.67ul/mg添加质量分数为5%的全氟磺酸溶液，按投加量3.33ul/mg添加质量分数为60%的异丙醇溶液，最后将混合均匀的溶液涂抹于碳布的另一侧，晾干24h后，制得厚度为0.08mm的催化层，得到基于66.7 wt% MgO/GO的复合阴极，总厚度为0.68mm。

[0068] 复合阴极的应用性能

[0069] 将制备得到的基于33.3wt% MgO/GO，50 wt% MgO/GO和66.7 wt% MgO/GO的复合阴极应用于MFC中，并测量MFC的性能。

[0070] 测试复合阴极的氧化还原活性，基于33.3wt%MgO/GO、50wt% MgO/GO和66.7wt% MgO/GO复合阴极的的循环伏安曲线图如图2所示，其活性大小为33.3wt% MgO/GO > 50 wt% MgO/GO > 66.7 wt% MgO/GO；

[0071] 测试复合阴极MFC的输出电压，基于33.3wt%MgO/GO、50wt% MgO/GO和66.7wt% MgO/GO复合阴极的MFC的电池电压图如图3所示，最大输出电压分别为0.303 mV、0.289 mV和0.242mV；

[0072] 测试复合阴极MFC的功率密度，基于33.3wt%MgO/GO、50wt% MgO/GO和66.7wt% MgO/GO复合阴极的MFC的功率密度图如图4所示，最大输出功率分别为870.75 mW/m2、755.63 mW/m2和675.28mW/m2。而传统的氧化石墨烯和氧化锡复合阴极应用在MFC中产生的功率密度为80 mW/m2，这要远远低于本实用新型微生物燃料电池复合阴极应用于MFC所产生的功率密度。这表明本实用新型微生物燃料电池复合阴极能够代替传统的氧化石墨烯和氧化锡复合阴极应用在MFC中。