Mn(IV),Fe(III),其沉淀在空气阴极上可以增加功率输出[27]。 为了尽量减少运行成本,单室空气阴极微生物燃料电池正在由研究人员开
发,它是一个高效和可持续的从有机物质中回收电能的 MFC 装置[5]。 在石墨颗 粒阳极和管状空气阴极 MFC 中,连续产电,最大体积功率密度 50.2W/m3,电 流密度 216A/m3。更多的研究者使用单室空气阴极 MFC,用简单的或者被修饰 的(进行预处理或者金属附着)碳做阴极电极材料[16]。对于在电极中使用的任 何催化剂,其重要特征:稳定性、力学性能、表面面积和化学组成[17]。文献综述
对于上述的研究现状,非生物阴极 MFC 研究已取得了成效,贵金属 Pt/C 催化剂、过渡金属大环化合物、过渡金属催化剂等是研究的热点。相比较而言 碳黑是最基本的电极材料,价格低廉,容易获得,来源广泛。碳黑具有导电、 孔隙率大、耐候、等优点,被用来作为高分子材料的催化剂载体、医药载体[24]。 近年来,对碳黑表面进行改性的研究较多,如用氧化改性来增加碳黑表面的含 氧官能团(如-OH、-COOH、-CO-等)[24],以减小碳黑粒子间的吸附力、基质的结 合力以及增大碳黑粒径。
化学改性碳黑能够优化碳黑表面的结构增大其比表面积、增加官能团、为 负载过渡金属氧化物等提供活性位点。碳黑表面存在杂质,含 S 等元素对催化 阴极会有影响,通过一些化学处理能去除杂质从而提高其 ORR 性能。
廉价的碳粉或活性炭是贵金属催化剂替代物。与其他催化剂相比,碳被视 为惰性材料;但研究表明,碳表面并不像预想的那么惰性。这种表层活性可以 解释为,不同的杂原子 (O,H,S, N)与碳缔合,在表面形成共价键,这个就 是活性位点。碳的催化活性可以通过改变缔合在碳上的杂原子的数量和材料孔 隙度来增加。
近来,在 H2 和 CO 的电催化氧化研究中,氧化酸处理碳取得一定效果。用 硝酸处理 Vulcan XC-72R,增加含氧基团的数量[28]。一些金属氧化物良好的电化 学性能,激起了一大批研究者探索兴趣。他们具有价格低、选择性高、化学稳 定性好等优点,已被用作碱性条件中的 ORR 催化剂,如过渡金属氧化物和稀土 氧化物。他们具有可变的化合价,有利于氧化还原的进行。此外,石墨烯负载 Co3O4 有高的电催化活性和 ORR 稳定性,因而本实验内容会按照这个思路进一 步探索。研究表明碳(如碳的化学偶联黑、纳米碳管、石墨)与金属氧化物(MnO2、来!自~751论-文|网www.751com.cn
CoOx、NiO2、纳米 TiO2 等)联合,碳颗粒之间的界面相互作用可使负载的催化 剂有高的电催化活性。研究人员推测,两者之间有强电子亲合力,致使独特的 价电子分布[29]。
1.4.2 本课题的研究内容
受文献启发,本实验逐步进行。化学改性碳黑是初步方案,通过硝酸、磷 酸、氢氧化钾、过氧化氢四种溶剂对碳黑进行改性,通过测试循环伏安曲线, 删选出最优改性处理,制备阴极材料,启动MFC测试产电情况以及功率密度。 化学的改性只能改变表面一些结构,增减元素,热处理可进一步改善表面结构, 增加活性位点。研究发现,硝酸浓度越高,回流温度越高,碳黑的电性能越强。 浓硝酸处理后在碳黑表面接枝羧基官能团,水热反应后生成酰胺基团,为氧化 钴的附着提供位点。
因此,本文在研究了一系列改性方法后遴选出最优方案,启动微生物燃料 电池,致力于寻找廉价高效的非生物阴极催化剂。