空氣陰極微生物燃料電池陰極結(jié)構(gòu)及催化劑的研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)能夠利用產(chǎn)電菌將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,是21世紀(jì)環(huán)境工程領(lǐng)域中新興的水處理研究方向之一。在眾多類型的MFC中,空氣陰極微生物燃料電池(Air-cathode Microbial Fuel Cell,ACMFC)因其陰極使用空氣中的氧氣作為氧化劑而具有較高理論電壓。然而,ACMFC陰極的氧還原反應(yīng)需要在鉑/碳(Pt/C)的催化下才能順利進(jìn)行,昂貴的Pt/C大大增

2、加了ACMFC的成本,這使得ACMFC的研究目前仍停留在小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室水平上。作為Pt/C的替代,低成本陰極催化劑的研制正在成為ACMFC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前催化劑成本的降低往往是以陰極性能下降為代價的。如何在降低ACMFC成本的同時不降低其產(chǎn)電能力是ACMFC研究領(lǐng)域亟待解決的問題。
　　本文圍繞“降低 ACMFC成本,提高其陰極性能”這一主題,對 ACMFC的陰極材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,具體內(nèi)容包括:
　　通過測試單室六面

3、體型ACMFC的功率密度考察了Pd/C和Ru/C的氧還原性能,并與 Pt/C進(jìn)行了對比。結(jié)果表明,Pd/C和 Ru/C作催化劑時,ACMFC的 COD去除率和庫倫效率均與 Pt/C催化劑相當(dāng),ACMFC的最大功率密度分別是Pt/C作催化劑時的90.3％和85.5%,但ACMFC單位成本的產(chǎn)能分別是Pt/C的1.8倍和6倍。
　　為了進(jìn)一步降低ACMFC的成本,制備了成本低、氧還原催化活性較強(qiáng)、穩(wěn)定性較好的摻氮碳粉,并將其用作ACM

4、FC陰極催化劑。為了增強(qiáng)摻氮效果,還嘗試了在硝酸處理前增加鹽酸-熱混合預(yù)處理的摻氮方法,并對比分析了有無預(yù)處理的摻氮碳粉中的含氮量和含氮官能團(tuán)類型。結(jié)果表明,摻氮后,碳粉的催化活性顯著提高,ACMFC的最大功率密度提高了1.1倍。預(yù)處理有助于增強(qiáng)摻氮效果,使得 ACMFC最大功率密度提高了12.4%。發(fā)現(xiàn)影響催化活性的關(guān)鍵官能團(tuán)有:吡啶型氮、吡咯型氮和氮氧化物。嘗試通過優(yōu)化碳粉粒徑和摻氮碳粉用量來提高陰極性能,發(fā)現(xiàn)碳粉粒徑宜為1600n

5、m左右,增大用量能夠明顯增強(qiáng)ACMFC的產(chǎn)電能力。結(jié)果表明,通過混合預(yù)處理和硝酸處理后的碳粉可以替代甚至優(yōu)于Pt/C,采用摻氮碳粉作陰極催化劑后,其ACMFC的最大功率密度為926.0mW·m-2,與 Pt/C(980.6mW·m-2)相當(dāng),但成本可觀地降低了78%。此外,摻氮碳粉陰極的過電位僅為Pt/C陰極的一半,其極化損失小。更為重要的是,通過監(jiān)測30個周期內(nèi)ACMFC的最大功率密度,發(fā)現(xiàn)摻氮碳粉陰極的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Pt/C陰極,摻

6、氮碳粉陰極ACMFC的最大功率密度幾乎不變,而Pt/C陰極ACMFC的最大功率密度下降達(dá)13%,且有進(jìn)一步下降的趨勢。
　　通過優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)來提高ACMFC的產(chǎn)電能力,優(yōu)化主要針對:催化層的梯度、制備擴(kuò)散層時的降溫方式、碳基層碳粉的灰分和粒徑的選擇等。結(jié)果表明,在不改變催化劑總用量和粘結(jié)劑總用量的前提下,將原來的單層催化層改為催化劑和粘結(jié)劑用量梯度減少(從陰極液到空氣方向)的多層催化層后, ACMFC的功率密度有所提高。在擴(kuò)散層的

7、制備過程中,快速降溫比慢速降溫更容易形成有利于氧氣擴(kuò)散的孔隙,使氧氣順利到達(dá)催化層參與氧還原反應(yīng)。碳基層的碳粉粒徑存在一個最優(yōu)值,約為1300nm,此時氧氣傳質(zhì)較好。碳粉的灰分越小所制備的碳基層性能越好。
　　在合成低成本催化劑和陰極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,考察了硫化物對摻氮碳粉催化活性的影響,并與Pt/C催化劑進(jìn)行了對比。當(dāng)電解液中含有硫化物時,Pt/C的氧還原催化活性明顯降低。ACMFC在Na2S濃度為0.2g·L時的最大功率密度比