碳載尖晶石氧化物的制備、表征及其在微生物燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)作為一種新型的能源技術(shù)，可以利用微生物分解特定廢棄物，實(shí)現(xiàn)廢物處理并產(chǎn)生電能，具有操作條件溫和以及環(huán)境友好等特點(diǎn)，為解決能源和環(huán)境問(wèn)題提供了新方向，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。
　　MFC自身的優(yōu)點(diǎn)使其在未來(lái)應(yīng)用上具有廣闊的發(fā)展前景，然而，這種新型的能源技術(shù)還無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。較低的輸出功率是影響MFC商業(yè)化的主要原因。陰極氧還原反應(yīng)(Oxygen Reduction

2、 Reaction，ORR)的效率是制約輸出功率高低的主要因素之一，ORR的高過(guò)電勢(shì)和弱動(dòng)力學(xué)不利于陰極反應(yīng)的進(jìn)行，降低了反應(yīng)的效率。因此，選擇適合的催化劑對(duì)提高ORR性能具有重要的意義。本文以納米碳載尖晶石氧化物為研究對(duì)象，探索了其作為復(fù)合催化劑的制備、表征、ORR電化學(xué)催化活性以及應(yīng)用于MFC陰極的產(chǎn)電性能。
　　首先，采用氨蒸汽誘導(dǎo)法制備了小粒徑、大比表面積且均勻分散的尖晶石金屬氧化物(記為m-MnCo2O4)。掃描電鏡、X

3、射線衍射和比表面分析都表明，較其他方法制得的錳鈷尖晶石(記為b-MnCo2O4)，m-MnCo2O4的粒徑更小(60nm)，比表面積更大(133m2/g)。將兩種催化劑分別按一定比例和導(dǎo)電碳黑混合，并進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明，m-MnCo2O4的氧還原峰電位比b-MnCo2O4更正，電流密度和起始電位稍弱于Pt/C。進(jìn)一步的測(cè)試計(jì)算表明，m-MnCo2O4的氧還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.77,即m-MnCo2O4用于陰極催化使得ORR催化主

4、要以4e-途徑進(jìn)行，提高了ORR催化效率。
　　其次，采用水熱法合成了氮摻雜碳納米管負(fù)載錳鈷尖晶石(MnCo2O4/N-CNT)，考察了MnCo2O4/N-CNT的形貌特征和MnCo2O4+N-CNT、Co3O4/N-CNT、MnCo2O4、N-CNT以及MnCo2O4/N-CNT的電催化活性。透射電鏡分析表明，尖晶石納米顆粒均勻地分散在碳納米管表面，通過(guò)水熱法可增強(qiáng)尖晶石和載體碳納米管之間的化學(xué)耦合作用。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，Mn

5、Co2O4/N-CNT的/N-CNT穩(wěn)定性和抗毒性優(yōu)于Pt/C。
　　再次，采用水熱-共沉淀法制備了MnCo2O4/N，S-CNT復(fù)合催化劑，確定了不同碳納米管載體比例下催化劑的循環(huán)伏安性能，考察了CNT、N，S-CNT、MnCo2O4/CNT和MnCo2O4/N，S-CNT的電催化性能。結(jié)果表明，40wt％CNT條件下的催化劑循環(huán)伏安性能最好，而且，此條件下的MnCo2O4/N，S-CNT的ORR催化活性高于MnCo2O4/CN

6、T。
　　最后，將MnCo2O4/N-CNT、MnCo2O4/N，S-CNT和Pt/C分別作為陰極催化劑用于MFC產(chǎn)電性能研究。結(jié)果表明，MnCo2O4/N-CNT和MnCo2O4/N，S-CNT的開(kāi)路電壓和最大功率密度分別為0.714V，673mW/m2和0.705V，767mW/m2,遠(yuǎn)高于未修飾陰極的MFC(0.489V，186 mW/m2)，但低于Pt/C(0.747V，864mW/m2)。
　　本文通過(guò)不同方法制備