石墨烯復合陰極材料的制備及其在微生物燃料電池中的應用.pdf

1、微生物燃料電池(MFCs)是一種在處理廢水的同時能夠產(chǎn)生電能的新技術(shù)，這種技術(shù)利用微生物作為催化劑來實現(xiàn)對有機質(zhì)或無機質(zhì)進行分解并在這個過程中獲得電流。微生物燃料電池的這種獨特的產(chǎn)能方式為解決能源問題并同時達到治理廢水的目的提供了一條全新的道路。目前，微生物燃料電池產(chǎn)電性能差以及成本較高的缺點成為了限制其規(guī)模化應用的主要障礙。
　　眾所周知，陰極催化劑的成本占據(jù)了微生物燃料電池成本的一大部分。Pt是微生物燃料電池中最常用的陰極催化

2、劑，但其成本較高，且易中毒。針對這個問題本實驗中制備了石墨烯二氧化錳復合材料、多孔氮摻雜碳納米片以及氮摻雜石墨烯三種高效低成本的陰極催化劑并成功的將氮摻雜石墨烯空氣陰極單室微生物燃料電池應用于處理對硝基苯酚廢水。本論文具體的研究成果概括如下：
　　在微波照射下由石墨烯直接原位還原高錳酸鉀所制得的納米結(jié)構(gòu)的石墨烯/MnO2復合材料因具備的特殊結(jié)構(gòu)以及石墨烯本身極好的導電性能導致其制備的電極表現(xiàn)出了極高的催化性能。該材料作為陰極催化劑

3、被應用于微生物燃料電池時，顯著提高了電池的產(chǎn)電性能。采用石墨烯/MnO2復合材料作為陰極氧還原催化劑的微生物燃料電池可以產(chǎn)生高達2083 mW/m2的最大功率密度，分別是單獨的MnO2催化劑的1.42倍以及Pt/C催化劑的1.22倍。
　　通過碳化 GO-PANI并進一步采用堿活化處理而制備的多孔氮摻雜碳納米片（PNCN）是一種簡單可行的制備氮摻雜碳材料的方法。該方法制備的PNCN具有極高的比表面積，并且其制備的電極在中性磷酸鹽緩

4、沖溶液中表現(xiàn)出了極好的氧還原催化性能。采用 PNCN作為微生物燃料電池的陰極催化劑時產(chǎn)生的最大功率密度為1159.34 mW/m2，比相同條件下的Pt/C催化劑（858.49 mW/m2）高35％。
　　采用后處理法以硝酸或水合肼作為氮源可以制備氮摻雜石墨烯。兩種氮摻雜石墨烯制備的電極均表現(xiàn)出了極好的氧還原催化性能，其中硝酸制備的氮摻雜石墨烯的氧還原催化性能較高。以兩種氮摻雜石墨烯作為微生物燃料電池陰極氧還原催化劑時產(chǎn)生的最大功率

5、密度均比Pt/C催化劑要高。
　　構(gòu)建了以氮摻雜石墨烯為陰極催化劑的空氣陰極單室微生物燃料電池系統(tǒng)用以降解對硝基苯酚廢水?；旌匣|(zhì)與單一基質(zhì)運行微生物燃料電池的結(jié)果表明混合基質(zhì)更有利于廢水中對硝基苯酚的降解。混合基質(zhì)運行時，對硝基苯酚的去除率隨濃度的增大而減小，但最低去除率仍在70%以上，具有較好的去除效果。含50 mg/L的對硝基苯酚混合基質(zhì)廢水運行微生物燃料電池時，其最大輸出功率為561.69 mW/m2，對硝基苯酚的去除率為