銀-鐵-碳基復(fù)合體作為微生物燃料電池陰極的性能研究.pdf

1、目前，解決日趨嚴(yán)重的水污染問題和探尋新的可再生能源是人類社會解決可持續(xù)發(fā)展的兩大根本性問題。微生物燃料電池(MFC)是利用產(chǎn)電細(xì)菌作為陽極催化劑將污水中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。對于陰極電子受體為O2的單室無膜型MFC而言，空氣陰極上發(fā)生氧還原反應(yīng)(ORR)的效率是影響MFC產(chǎn)電性能的關(guān)鍵因素之一;因此，尋找ORR催化活性高、穩(wěn)定性好和成本低廉的陰極催化劑就成為提高M(jìn)FCs性能的研究重點之一。本論文的研究內(nèi)容主要分為兩部分，一是以廢棄

2、的柚子皮為碳源，鐵鹽作為促進(jìn)形成石墨化碳的催化劑，以硫脲為氮源和硫源，或以硝酸銀為銀源，在氮?dú)鈿夥障赂邷靥紵徇€原制備硫化亞鐵/（部分）石墨化碳(FeS/PGC)或Ag/FeS/PGC催化劑;二是在課題組前期工作的基礎(chǔ)上，將納米Ag引入到氮摻雜/鐵/石墨化碳材料(Fe/N/C)結(jié)構(gòu)中制得Ag/Fe/N/C催化劑;對上述材料進(jìn)行形貌與性質(zhì)表征，通過電化學(xué)測試手段檢測其ORR催化活性，并將這些材料作為陰極催化劑應(yīng)用于單室MFC空氣陰極中，對其

3、產(chǎn)電性能進(jìn)行研究。
　　(1) PGC結(jié)構(gòu)中FeS的存在會增強(qiáng)催化劑的催化活性，進(jìn)而加快陰極ORR的反應(yīng)過程;本文在不同溫度（600，700，800，900和1000℃）下制備的FeS/PGC材料中主晶相是FeS;利用FeS粒子嵌入在相互貫通、平行的孔道之間的結(jié)構(gòu)特點，為O2的傳輸提供通暢的路徑;同時增加了催化劑結(jié)構(gòu)中催化ORR的活性位點，使有效吸附于活性中心表面的O2更容易被活化、還原。在MFC中運(yùn)行120天以后，F(xiàn)eS/PGC

4、-x(x=800，900，1000)陰極的功率輸出與穩(wěn)定性均優(yōu)于Pt/C;FeS作為主要活性組分在催化ORR中起到重要作用，使MFC陽極微生物的活性增強(qiáng)，使得氧化輸運(yùn)電子能力變強(qiáng)，減小了釋放出的電子的損失率。
　　(2)因為MFC陰極表面易于形成了一層較厚的生物膜，給陽極產(chǎn)電菌活性、電子傳遞、質(zhì)子遷移造成阻礙，使ORR效率與催化劑的活性大大降低。因此，在體系中引入銀源，成功制備了納米Ag/FeS/PGC催化劑;其中Ag/FeS/P

5、GC(Fe∶Ag=1∶0.6)陰極的最大功率密度可達(dá)1400±10mW·m-2。這個研究結(jié)果表明除了FeS的催化作用外，引入的納米Ag作為抑制細(xì)菌生長、氧還原雙效催化劑，避免了陰極表面細(xì)菌的增殖、代謝與衰亡過程消耗O2，Ag與FeS的協(xié)同作用提高了ORR效率和整個MFC的產(chǎn)電性能;其催化ORR過程主要是4電子途徑。
　　(3) Ag與Fe物種的引入已證實可以有效增加碳基催化劑結(jié)構(gòu)上的活性位點，本文進(jìn)一步在較低溫下設(shè)計合成N摻雜的A

6、g/Fe/C材料（Ag/Fe/N/C），使O2更有效地吸附到催化劑表面，提高ORR催化過程的速率。以三聚氰胺為碳源，在650℃下成功制備出Ag/Fe/N/C材料，Ag、Fe與N物種被成功地引入到碳結(jié)構(gòu)中，有效地提高了Ag/Fe/N/C材料的ORR催化活性，同時，Ag納米粒子的引入起到了有效抑菌的作用，并提高了MFC的產(chǎn)電(ORR)性能和長期運(yùn)行穩(wěn)定性;Ag/Fe/N/C催化ORR的過程主要以4電子反應(yīng)途徑為主。
　　本研究表明鐵-