微生物燃料電池高效電極與界面設計強化產電特性研究.pdf

1、能源短缺與環(huán)境污染問題日趨嚴重，微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）能夠利用微生物催化降解有機物產生電能，實現污水處理并同步產電，為水污染問題和能源危機問題的解決提供了新的思路。然而，微生物燃料電池較低的輸出功率密度限制了其實際應用。在微生物燃料電池陰極，氧氣由于具有方便易得和綠色無污染的特點，是理想的陰極電子受體。但是在氧還原過程中，其還原反應速率低，因此需要高效的催化劑來提高反應速率和陰極性能。此外，微生

2、物燃料電池陽極上的電子轉移速率以及微生物吸附量對電池的功率密度輸出具有重要的影響，因此，提高陽極性能有利于促進MFC功率密度的輸出。
　　針對微生物燃料電池目前存在的一些主要問題，本論文從電極材料和界面出發(fā)，以廉價的不銹鋼網為空氣陰極的電子集流體，開發(fā)高效廉價的復合納米催化劑和三維氧還原催化劑，通過優(yōu)化粘結劑和改進空氣陰極結構對空氣三相界面進行調控，提高陰極性能；構建三維贗電容性陽極，增加陽極生物附著量，并提高電子轉移效率，進而提

3、高微生物燃料電池的功率密度和產電性能。論文取得的研究成果概括如下：
　　本論文首先在陰極三相界面催化劑研究中，合成了廉價高效的Ag-WC/C氧還原催化劑，基于Ag和WC之間的協(xié)同作用，Ag-WC/C能夠產生與Pt/C催化劑相當的ORR活性和穩(wěn)定性，其催化ORR為間接4電子途徑。在MFC中，Ag-WC/C能夠產生與Pt/C非常接近的最大功率密度，說明該復合納米催化劑能夠取代傳統(tǒng)Pt/C用于MFC產電。在此基礎上，以金屬有機框架為前驅

4、物，通過熱解的方法得到了三維多孔的CoNC催化劑。實驗結果分析表明，CoNC的電催化活性受到熱解溫度、比表面積、摻氮量以及氮元素形態(tài)的影響。CoNC具有大的比表面積和微孔面積，有利于增加三相界面有效催化位點的數量，加速質子和氧在其表面的傳遞。研究發(fā)現，吡啶N和石墨化N能夠增加催化劑活性位點（Co-Nx）數量并增強催化劑的導電性。熱解溫度900 ℃制得的CoNC催化劑應用于單室MFC中，電池最大輸出功率密度為1665mW/m2，較使用Pt

5、/C催化劑的MFC提高了39.8％，且三維多孔催化劑CoNC具有更好的電化學穩(wěn)定性。
　　其次，在MFC三相界面調控研究中，以廉價不銹鋼網取代了傳統(tǒng)碳布為空氣陰極的電子集流體，制作單位面積的不銹鋼網陰極的總造價僅為碳布陰極總造價的61%。氣體擴散電極的導電性、氣體擴散性能以及電催化氧還原的特性與聚四氟乙烯（PTFE）的百分含量有關，研究結果表明最優(yōu)PTFE質量分數為20%。不銹鋼網陰極MFC具有與碳布陰極MFC相當的最大功率密度，

6、化學需氧量（COD）去除率和庫侖效率。因此使用不銹鋼網作為電子集流體能夠在保證MFC性能的前提下明顯降低陰極造價。然后，以乙二胺四乙酸（EDTA）替代Nafion試劑作為粘結劑，構建空氣陰極，電化學測試結果表明，EDTA粘結劑能夠增強界面質子傳導作用，降低電荷轉移阻力和傳質阻力，其構建的空氣陰極具有更好的穩(wěn)定性能。EDTA與Nafion試劑分別構建的空氣陰極應用于MFC中，實驗結果得出，使用EDTA作為粘結劑，構建的空氣陰極較Nafio

7、n試劑構建的空氣陰極，電池的最大輸出功率密度提高了42%。在此基礎上，通過在不銹鋼網基體上直接生長Co3O4顆粒，構建了新型的一體三維空氣陰極，避免粘結劑的使用。電化學測試結果表明，SSM/Co3O4氣體擴散電極具有與Pt/C催化劑相當的ORR活性和更好的穩(wěn)定性。同時，研究發(fā)現，在Co3O4催化劑表面，氧主要通過4電子還原途徑還原，產物為水。在MFC中，SSM/Co3O4氣體擴散電極具有較高的ORR活性，電池具有與貴金屬Pt/C電極MF

8、C相當的最大功率密度，為17.8W/m3；MFC周期運行45天，電池的最大輸出電壓僅降低1.6%，表明SSM/Co3O4氣體擴散電極具有良好的穩(wěn)定性。
　　同時，在陰極界面研究的基礎上，構建了三維電容性MnO2/碳紙陽極（CP-MnO2），其三維結構和贗電容特性可有效縮短電池的啟動時間，并提高MFC的陽極性能和產電能力。隨著碳紙陽極上MnO2生長時間的增加，MnO2的電容也相應增加，MFC的輸出功率密度隨著CP-MnO2的電容的逐