氮摻雜金屬-碳復(fù)合體微生物燃料電池陰極的性能研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)是一種集產(chǎn)電和污水凈化為一體的新型水處理技術(shù)。微生物燃料電池具有反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好、直接將底物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能等優(yōu)勢(shì)，但其較低的功率輸出和庫(kù)倫效率，以及較高的催化材料（商業(yè)Pt/C）成本仍成為其大規(guī)模應(yīng)用的主要限制。碳納米材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等性能，受到越來(lái)越多的關(guān)注;先進(jìn)的碳基催化劑的性質(zhì)對(duì)MFCs產(chǎn)電有著深遠(yuǎn)的影響。
　　本研究主

2、要從研究微生物燃料電池的陰極材料出發(fā)，篩選出最優(yōu)的氮摻雜金屬元素碳基復(fù)合材料電極?？疾炝穗姌O的制備條件、金屬元素種類的選擇、摻雜含量、COD去除率等因素。本文先后制備了兩種類型的陰極催化材料，以三聚氰胺為碳源，分別引入鐵物種和納米銀，它們相應(yīng)地改變了復(fù)合材料的催化活性和抑菌性能。以不銹鋼碳網(wǎng)為陰極，纖維刷電極作為陽(yáng)極，葡萄糖為基質(zhì)配置模擬廢水，構(gòu)建了單室型MFCs。考察了不同陰極材料應(yīng)用在MFCs的產(chǎn)電性能。同時(shí)采用X射線衍射儀(XRD

3、)、拉曼光譜(Raman)、X射線光電子能譜(XPS)、熱重分析(TG)、比表面積(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等物理和化學(xué)表征測(cè)試手段研究各種產(chǎn)物的晶相、形貌、相變。并通過(guò)電化學(xué)分析手段，通過(guò)檢測(cè)氧還原反應(yīng)(ORR)過(guò)程中的電化學(xué)行為，分析氧氣在三相界面發(fā)生催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化歷程及影響機(jī)制。
　　(1)在碳化溫度為620-660℃的范圍內(nèi)，溫度的變化（10℃間隔）對(duì)氮摻雜鐵物種/碳基復(fù)合材料（Fe-s

4、pecies/NPGC）的物相組成影響非常大;在碳化溫度為650℃時(shí)所制備出材料為Fe/Fe3C/NPGC-650（SBET為50.27m2/g），其作為MFCs陰極的運(yùn)行穩(wěn)定性很好，功率密度可以達(dá)到1323 mW/m2，與其它Fe-species/NPGC-x(x=620，630，640，660，700)陰極材料相比，其電極電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻(Rct)僅為9.7Ω，表明其具有較好的導(dǎo)電性和ORR的電催化活性。此外，F(xiàn)e/Fe3O4/Fe3C

5、/NPGC-640在MFCs中的性能略低于Fe/Fe3C/NPGC-650，它們的輸出電壓和庫(kù)倫效率均高于商業(yè)Pt/C，是由于材料的體相中均勻分布著很多高活性的Fe3C納米粒子;XPS也證實(shí)了鐵結(jié)合態(tài)氮（Fe-N鍵）、吡啶氮和吡咯氮的存在既可以充當(dāng)活性位點(diǎn)，又有利于電子的轉(zhuǎn)移;活性組分（Fe和N物種）之間的協(xié)同作用增強(qiáng)了MFC的性能，而且可以縮短MFC的啟動(dòng)時(shí)間。
　　(2)為了在單室MFCs中實(shí)現(xiàn)有效陰極抑菌（抗積碳）及ORR與

6、產(chǎn)電效率的提高，在(1)中Fe-species/NPGC材料制備的基礎(chǔ)上，引入銀源（碳、鐵與銀源比例為10∶1∶0.5），并將在620-900℃碳化得到的氮摻雜銀/鐵/石墨化碳基復(fù)合（Ag/Fe/NPGC）材料進(jìn)行物理化學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)的對(duì)比，以期合成導(dǎo)電性和ORR催化活性良好、化學(xué)穩(wěn)定性高的催化劑。在630℃合成的Ag/Fe/NPGC-630(13.98m2/g)表現(xiàn)出最優(yōu)的ORR催化活性，其作為陰極的MFCs功率密度可以達(dá)到1791m

7、W/m2(Rct=5.46Ω)。以Ag/Fe/NPGC-640（24.39m2/g）為陰極的MFCs的輸出電壓最大，可以達(dá)到0.668 mV(Rct=6.17Ω)，庫(kù)倫效率為33％。因此，引入納米銀作為抑菌、氧還原的雙效催化組分，提高了整個(gè)MFCs的性能。
　　本文以相對(duì)安全的三聚氰胺為碳源，在較低溫度下制備出Fe-species/NPGC和Ag/Fe/NPGC材料，并考察了它們作為單室微生物燃料電池的陰極催化劑的性能。在長(zhǎng)期運(yùn)行