微生物燃料電池的碳陰極改性研究.pdf

1、近年來，隨著對微生物燃料電池(MFC)的深入研究，發(fā)現(xiàn)MFC在作為可替代綠色能源及節(jié)能高效處理廢水領(lǐng)域具備越來越廣闊的發(fā)展前景。由微生物供電的MFC具有清潔和可持續(xù)的特征，在自然條件下它能有效的催化降解一系列有機(jī)基質(zhì)。然而，盡管目前關(guān)于MFC的研究越來越多，但其產(chǎn)電性能依舊存在瓶頸，實(shí)現(xiàn)其放大化、規(guī)?；⑼度雽?shí)際應(yīng)用仍需要不斷的探索。影響MFC產(chǎn)電性能的因素很多，但陰極的氧還原催化性能是一個(gè)關(guān)鍵的制約因素。本課題旨在對MFC陰極催化劑特

2、性、影響因素及改進(jìn)方法進(jìn)行研究，探求性能優(yōu)良的碳基材料陰極催化劑。
　　由于炭材料導(dǎo)電性和表面能態(tài)較高，容易失去電子而呈現(xiàn)還原性。作為MFC陰極催化劑與鉑炭相比具有較高的性價(jià)比，得到了很多研究者的青睞。與其他炭材料相比，石墨烯具備優(yōu)良的化學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等性能。而氮原子半徑與碳原子相近，且電負(fù)性較高，通過氮修飾石墨烯可以達(dá)到調(diào)整石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的效果，并借助與Fe之間的協(xié)同效應(yīng)，可提升MFC輸出功率密度和耐久性能。研究者對此進(jìn)行了大量

3、研究。但由于這些使用的石墨烯性能差別較大、應(yīng)用環(huán)境條件不一，對石墨烯效果的研究仍然不系統(tǒng)。
　　本文首先考察了Fe-N與石墨的混合比例對MFC產(chǎn)電性能的影響，由此選取最佳配比。結(jié)果顯示:隨著Fe-N含量的增加，F(xiàn)e3C和FeNx的結(jié)晶峰更明顯，強(qiáng)度更高，結(jié)晶效果更好;當(dāng)Fe-N與石墨的混合比例為4∶1時(shí)催化性能最佳。
　　在此結(jié)果的基礎(chǔ)上，本課題探討了Fe-N分別摻雜高導(dǎo)電石墨烯(HCG)、高活性石墨烯(HAG)及單層石墨烯

4、(SLG)時(shí)催化性能的差別，以及碳化保溫時(shí)間對催化劑的微觀形貌及催化性能的影響。通過掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)觀察，顯示催化劑均形成了晶體粒子，并且在Fe-N摻雜單層石墨烯(Fe-N/SLG)催化劑中的片層上形成了直徑為0.1-1μm的簇狀碳管。簇狀碳管的形貌受保溫時(shí)間影響會(huì)先產(chǎn)生后消失。當(dāng)保溫時(shí)間為90～180min時(shí)，簇狀碳管的形貌最佳，熱重質(zhì)譜聯(lián)用(TG-MS)測試結(jié)果進(jìn)一步印證了簇狀碳管產(chǎn)生和消失機(jī)理。X

5、射線光電子能譜(XPS)對催化劑表面的元素種類及含量進(jìn)行對比，得出不同類石墨烯催化性能差異的原因來自于Fe、N、O元素含量及吡啶氮、石墨氮的總量不同，因此具有不同的活性位點(diǎn)數(shù)量。
　　利用K-L方程計(jì)算了催化劑催化氧還原反應(yīng)(ORR)時(shí)的轉(zhuǎn)移電子數(shù)(n)，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)使用的催化劑ORR反應(yīng)歷程均是以4電子方式主導(dǎo)的過程。通過電化學(xué)性能測試及旋轉(zhuǎn)圓環(huán)盤電極技術(shù)（RDE）對陰極催化劑ORR催化性能的測試，表明Fe-N/SLG的催化性能最

6、佳，MFC達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)電時(shí)的最大功率密度為1210mW/m2。
　　此外，本課題首次使用鐵摻雜聚酰胺酸(Fe-PAA)作為陰極催化劑，并研究了鐵摻雜結(jié)構(gòu)不同的聚酰胺酸(PAA)、不同的碳化溫度及碳化保溫時(shí)間對Fe-PAA作為陰極催化劑的結(jié)構(gòu)及性能的影響，得到的結(jié)論如下:(1)鐵元素?fù)诫sPMDA（均苯四甲酸二酐）/p-PDA（對苯二胺）縮合聚合而成的PAA時(shí)，得到的催化劑催化效果較好;(2)雖然PAA本身含氮，但Fe的摻雜能有效提高其

7、催化活性;(3)碳化溫度為800℃，保溫時(shí)長為90min時(shí)，F(xiàn)e-PAA具備最優(yōu)異的催化效果，MFC獲得的最大功率密度為984±29mW·m-2，氧還原電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.55。PAA本身含有氮元素并易于制備，這將大大降低陰極催化劑制備成本，提高制備效率，對實(shí)現(xiàn)MFC商業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用擴(kuò)大化具有重要意義。
　　總之，長有碳管石墨烯及鐵摻雜的含氮聚酰胺酸作為MFC陰極催化劑，不僅能夠?yàn)閺募夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)性的角度優(yōu)化MFC，并為其設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供切