微生物燃料电池阴极氮磷共掺杂碳氧气还原催化剂的优化研究

发布时间：2020-09-25 07:29

　　微生物燃料电池(microbial fuel cell)是一种基于电活性微生物的新陈代谢氧化有机物,将化学能转换为电能的一种电化学装置。MFC可将污水中废弃有机物的化学能转化为可利用的电能,因此具有去污和产能双重功效,近年来受到研究者们的广泛关注。阴极不仅是决定MFC性能的关键部件之一,而且是限制MFC技术产业化的因素之一。由于空气中丰富的氧气含量,因此,氧气还原反应(ORR)是MFC用于污水处理最重要的阴极反应。ORR具有较缓慢的反应动力学,需要使用ORR催化剂。Pt/C等贵金属具有优异的ORR催化性能,但昂贵的价格限制其在MFC中大规模应用。因此,开发低成本、高性能ORR催化剂是推进MFC在实际污水处理应用亟需解决的关键问题之一。氮磷共掺杂碳(NPC)因杂原子掺杂改变了碳原子的电子分布,而具有优良的ORR催化性能,是一种优异的ORR催化剂。催化剂高比表面积会提高活性催化位点,同时高的导电性会提高电子传递效率。为了进一步提高NPC的ORR催化性能,本论文采用提高比表面积和导电性两种方法来优化NPC氧气还原催化性能。主要研究内容如下:(1)炭黑(CB)因其优异的导电性,常被用于电极材料的导电填料。本研究以CB作为导电填料,通过提高NPC电导率来提高其ORR催化性能。研究以CB为载体,通过原位氧化聚合的方法,将植酸掺杂的聚苯胺负载在CB上,再经高温热解,制备出氮磷共掺杂碳改性炭黑(NPC@CB)催化剂。实验对NPC与CB质量比进行优化,得到最优比催化剂(NPC@CB-0.4)。NPC@CB-0.4具有更高的电导率,且石墨化程度也比单原子掺杂碳改性的NC@CB和PC@CB更高。同样在中性溶液中对于起始电位及电流密度而言,展现出最高的ORR催化活性。使用NPC@CB-0.4作为ORR催化剂制备的MFC具有0.756 V的开路电压和1209mW m~(-2)的功率密度,其功率密度是使用纯CB制备的ORR催化剂()MFC的两倍多。在MFCs的实际运用中,NPC@CB-0.4可作为一种高效的ORR催化剂使用。(2)活性碳(AC)是一种环境友好的ORR催化剂。由于其介孔特性,高比表面积及吸附性,已被广泛应用于微生物燃料电池。然而,纯AC在ORR催化过程中表现出较高的过电位,电催化活性不高。按照与前面一部分相同的方法,以AC替换CB制备NPC@AC复合催化剂。因AC可以吸附氮磷元素前驱体,增加催化剂的杂原子含量,使催化剂的起始电位正向位移,从而提升催化剂的催化性能。实验对NPC与AC质量比进行优化,得到最优比催化剂(NPC@AC-0.7)。与纯AC相比,NPC@AC-0.7保留了AC的高比表面积以及NPC低的ORR过电位等优势,在中性溶液中表现出更好的电催化活性,甚至比纯NPC的催化性能更好。以NPC@AC-0.7为ORR催化剂制备的空气阴极MFC具有更高的开路电压及功率密度,分别为0.753 V和1223 mW m~(-2),远远高于纯AC的开路电压(0.432 V)与功率密度(595 mW m~(-2))。在MFCs的实际运用中,NPC@AC-0.7可作为一种高效的ORR催化剂使用。
【学位单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TM911.4
【部分图文】：

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2图 1-1 MFC 的工作原理示意图生物燃料电池的产电源头为产电菌，常见的产电菌有硫还原地等[12]。对于产电微生物释放电子传递到阳极的具体机制，研究

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氧还原反应（ORR）催化剂层和空气扩散层构成（图1-2）。通过粘合剂将 ORR 催化剂粘结在集流体上，使其固定在阴极表面上，使ORR 催化剂层处于三相界面。ORR 催化剂的催化能力对空气阴极性能至关重要[25]，同时其他组件也影响空气阴极性能。在此，我们通过文献来总结每一成分对空气阴极的影响。图 1-2 典型的空气阴极电池示意图[26]1.3.2 空气阴极的反应基理空气阴极发生的反应为氧气还原反应（ORR），是溶液中的氧气与空气阴极催化层的界面相接触，然后接受电子发生的还原反应。其反应的主要机理可由是否生成中间产物 H2O2分为两种，具体的如下：(1) 生成中间产物的 2 电子反应历程：O2+ 2H++ 2e-→ H2O2H2O2+ 2H++2e-→ 2H2O

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面布的 SEM 图像[28]; （B）碳网[29]和（C）不锈钢网[30]的数码图网的 SEM 图像[26]。另一种可作为空气阴极集流体的材料，因其优异的导电性者的注意。这些金属材料包括镍网[31]和镍泡沫[32,33]，不锈

【参考文献】