発電型廃水処理の実現を可能とする低コストで超高性能なエアカソードの創出

创建低成本、超高性能的空气阴极，可用于发电废水处理

基本信息

批准号：
20H04369
负责人：
廣岡佳弥子
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Gifu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H04369/
关键词：
微生物燃料電池

项目摘要

本年度は、カソード内部の親水性を向上させるために、PTFEよりも親水性が高い結着剤であるNafionやPVAを触媒混合物に添加した。Nafionの添加量が添加したPTFEの1割未満の場合は、PTFEのみと比較してカソードの酸素還元性能は同程度となり、添加量が多くなると性能が低下した。PTFEと等量のPVAを添加した場合、PTFEのみと比較してわずかに性能が向上した。また、PTFEとNafion、PTFEとPVAいずれの組み合わせにおいても、作成工程における結着剤の添加の順番が酸素還元性能に影響を与えた。すなわち、同じ材料構成でもPTFEを先に添加した方が性能が向上した。一方、触媒混合物を基材にプレスし触媒層を形成した後のカソードに、プラズマ処理またはマイクロバブル処理を行うことによって親水性を高めることも試みた。液滴との接触角を測定することにより、どちらの処理でもカソード表面の親水性が向上したことを確認したが、酸素還元性能は向上しなかった。また、液体窒素で凍結させたカソードを切断し、断面を走査型電子顕微鏡で観察することにより、カソード内部の空隙や材料の混合具合の均一性を調べた。材料の混合状態は撹拌条件により変化し、撹拌時間を減らすことでカソード内部に25～50μmの空隙が生じ、漏水量が増加した。また、混合強度を向上させ、混合時間を増やすことで、内部のPTFE粒子の繊維化が進んだ。一方、自転公転ミキサーによる混合の後でもPTFE粒子はカソード内部である程度凝集して存在しており、均一に分散していなかった。

今年，为了提高阴极内部的亲水性，我们在催化剂混合物中添加了 Nafion 和 PVA（比 PTFE 更亲水的粘合剂）。当Nafion的添加量小于PTFE添加量的10%时，正极的氧还原性能与单独的PTFE相当，并且随着添加量的增加，性能下降。与单独使用 PTFE 相比，在 PTFE 中添加等量的 PVA 略微改善了性能。此外，在PTFE和Nafion以及PTFE和PVA的两种组合中，制备过程中添加粘合剂的顺序影响了氧还原性能。换句话说，即使采用相同的材料成分，当首先添加 PTFE 时，性能也会得到改善。另一方面，也尝试通过对与催化剂混合物一起按压在基板上而形成催化剂层的阴极进行等离子体处理或微泡处理来提高亲水性。通过测量与液滴的接触角，证实两种处理都改善了阴极表面的亲水性，但氧还原性能没有改善。此外，通过切割冷冻在液氮中的阴极并用扫描电子显微镜观察横截面，我们研究了阴极内部空隙的均匀性和材料的混合。材料的混合状态根据搅拌条件而变化，并且通过减少搅拌时间，在阴极内部产生25至50μm的空隙，这增加了漏水量。此外，通过增加混合强度和混合时间，内部PTFE颗粒变得更加纤维化。另一方面，即使在使用自转-公转混合器进行混合后，PTFE颗粒在阴极内部仍然有一定程度的团聚，并且没有均匀分散。