二氧化铈修饰铂基和钴基催化剂的研制及其在微生物燃料电池中的应用

发布时间：2020-03-24 23:30

【摘要】：随着人口的逐年递增,不可避免的增加了对能源的需求,也随之伴生了一系列的环境问题:空气污染和水资源污染等问题。因此,人们对于开发一种绿色、环境友好型的新能源技术已经显得迫在眉睫。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)的兴起为可再生能源的发展提供了有效的解决途径,它可以利用微生物的新陈代谢作用而将污水中有机物所含的化学能直接转换为电能,同时具有污水处理和产生电能两种作用。目前被认为最高效的阴极催化剂为贵金属铂。但是铂由于其自然界储量少和易中毒等缺点限制了微生物燃料电池的大规模应用。因此,当前我们的研究重点就是如何开发一种廉价高效的阴极催化剂。本论文即以开发新型廉价并且高效的阴极催化剂为出发点,合成了两个不同系列的催化剂,选择了碳粉和有序介孔碳(OMC)两种不同的碳材料作为载体,并在此基础上掺杂其他物质得到低铂(Pt-CeO_2/C)和无铂(Bi-CoPc/x%CeO_2/OMC)两个系列的催化剂。采用多种表征手段对材料进行分析,获得材料的形貌、组分、含量和结构特性等信息,同时也利用一些电化学和水化学分析手段对催化剂的氧还原活性、产电性能和污水处理能力等性质进行分析,深入探讨了上述催化剂在单室微生物燃料电池(Single chamber microbial fuel cells,简称SCMFCs)中的实际表现以及应用的可行性。取得了一些实质性的研究成果,具体内容如下所述:(1)以降低催化剂中的铂含量为出发点,通过在Pt/C催化剂中加入廉价且储氧能力强的二氧化铈粒子合成低铂Pt-Ce O_2/C系列催化剂。在此系列催化剂中改变二氧化铈的形貌(棒状、球状和花型)以研究催化剂的性能表现。电化学表征结果显示负载了球状二氧化铈的催化剂相比于其他两种形貌的掺杂具有更高的电化学活性。将催化剂组装入单室MFC后所获得的运行数据显示负载了球状二氧化铈的催化剂具有最高的输出电压(432 mV)和(406 mW/m~2)。但是综合其他表征结果来看,二氧化铈纳米粒子的形貌对催化剂性能的提升无显著作用。(2)基于Pt-CeO_2/C系列催化剂的研究结果,我们不考虑二氧化铈的形貌问题,而是选用一种较为简便的方法以有序介孔碳(OMC)为载体负载二氧化铈和双核酞菁钴,合成出无铂Bi-CoPc/x%CeO_2/OMC催化剂,二氧化铈掺杂量x分别为3、6和12。电化学表征结果显示Bi-CoPc/6%CeO_2/OMC具有最高的功率密度(487±6 mW/m~2)和最大输出电压(427±3 mV),而且在电池运行近1300h后,Bi-CoPc/6%CeO_2/OMC输出电压仅下降3.7%,显示出极高的稳定性。旋转圆盘电极测试的结果经过分析后得出Bi-CoPc/6%CeO_2/OMC催化剂具有极优的电催化活性。结合XPS的结果,得到Bi-CoPc/6%CeO_2/OMC具有最高含量的Ce~(3+),可以在催化剂表面形成更多的缺陷位利于氧气的吸附,从而提高氧还原反应活性。综上,该催化剂有望成为取代贵金属铂的廉价高效的微生物燃料电池阴极催化剂。
【图文】：

阴极反应有两种主要途径，第一种称之为二电子反应，最直观的可以看出二电子反应相较于四电子生成了中间产物能量的损失[26]。另一方面，从两个反应的的电极电势可以看电势，而阴极我们也希望反应的电势比较高，这样电池能够没有催化剂的催化作用下，，ORR 反应速率不仅比较缓慢，应过程[27]。我们知道，提高温度可以加快反应速率，但是由高温不利于微生物的生存[28, 29]。因此，为了加快 ORR 反应四电子过程，我们选择在阴极负载催化剂[7, 26, 30]。阴极常用并且铂一直以来都被认为是一种高效的催化剂，对于反应的作用[31]，但是其又有许多缺点，最主要的一个缺点就是其在价格昂贵，另一个就是催化过程中容易吸附一些物质而导微生物燃料电池的大规模应用[32-37]。因此，我们目前首要任的阴极催化剂作为贵金属铂的替代品[3, 38, 39]。

菁（MePc）产生了比较好的催化性能，但相-PcMe(II) 或 Bi-MePc）包含两个金属离子和一以实现价态转化。如：PcMe(II)-PcMe(II)状态III)状态[57]。实验结果和理论计算结果都已经证占据分子轨道获得电子，从而更有利于氧还原成了一种新型的双核酞菁钴(Bi-CoPc，图 1-2)单室微生物燃料电池阴极催化剂的研究中，旨程是在双核酞菁钴的基础上负载氧化物（氧化其与碳载体复合。而且循环伏安和线性扫描伏显著提高。双核酞菁钴的引入可以提高微生物，从几种催化剂的最大功率密度图可以看出 B 400 mW/m2，接近于商用 Pt/C (450 mW/m2)催化剂在微生物燃料电池的应用中具有很大的
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.45

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本文编号：2599025