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碳基复合材料在微生物燃料电池的性能研究

李美珍  
【摘要】:目前,我们面临的环境污染问题与能源需求问题越来越迫切,许多专家学者将目光投向了新能源方面。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种以微生物为催化剂,可将其化学能转化为电能的新型装置。其阴极可与空气中的氧气发生氧还原反应,相较于阳极的电子传递速率,阴极反应速率较为缓慢,是MFCs电性能的一个重要影响因素。目前MFCs阴极广泛使用Pt/C作为阴极催化剂,由于Pt/C催化剂价格昂贵、储存量低且稳定性较差限制了微生物燃料电池在实际中商业化应用。所以寻求一种性能较好、成本较低的阴极催化剂尤为重要。围绕以上内容,本文主要研究内容如下:1、以二氰二胺为C源与N源,掺杂Fe、Co两种金属化合物,以煅烧温度为对比条件,最终合成出Fe、Co合金小颗粒掺杂碳纳米管的复合材料催化剂C-N-FeCo。通过SEM等表征手段,发现Fe、Co元素主要位于碳纳米管端点处。在0.1M PBS溶液中进行电化学测试,结果显示催化剂C-N-FeCo表现出良好的电化学性能,其中C-N-FeCo-850的起始电位达0.83 V,十分接近同等条件下Pt/C催化剂的起始电位(0.9 V)。将其应用于微生物燃料电池阴极,C-N-FeCo-850获得最高功率密度达到1350 mW m~(-2)是Pt/C催化剂(220 mW m~(-2))的6.1倍。2、使用乙酰丙酮类有机金属盐为原材料,以二甲基咪唑为C源与N源进行合成,通过温度对比制备出Fe、Co共掺杂碳纳米片的复合材料催化剂FeCo–C/N。在0.1M PBS电解液中催化剂FeCo–C/N表现出高效的电化学性能,其中FeCo–C/N-1000、FeCo–C/N-1100的起始电位与Pt/C起始电位十分接近分别为0.85 V、0.82 V与0.9 V,且FeCo–C/N-1000的电流密度远超过Pt/C催化剂。将催化剂修饰微生物燃料电池阴极,催化剂FeCo–C/N-1000产电性能最优,功率密度高达1250 mW m~(-2),而Pt/C催化剂的功率密度仅为580 mW m~(-2)。3、以生物质一次性筷子为C源,通过引入三聚氰胺进行N掺杂,经过高温煅烧合成出N/PC阴极催化剂。通过一系列物理表征手段可以了解到催化剂N/PC为具有较大的比表面积的多孔碳材料。在中性介质下进行电化学测试,将无N掺杂的碳材料(PC)与N掺杂的碳材料(N/PC)进行对比,最终得到N/PC-1000起始电位为0.8 V最为接近Pt/C催化剂。在电池中N/PC-1000的最大功率密度为620mW m~(-2),PC-1000为500 mW m~(-2),均大于Pt/C催化剂的功率密度(190 m W m~(-2))。


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