摘要
微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物作为生物催化剂，将可溶有机污染物转化为电能的新型环保装置。而缓慢的氧还原反应(ORR)是影响MFC的能量转换效率的关键。铂基催化剂具有最佳的氧中间体结合能，是理想的ORR催化剂。然而，铂的高成本和稀缺性是燃料电池在能源领域大规模应用的障碍。为了克服这一问题，开发廉价高效的无铂族金属ORR电催化剂已被认为是降低生产成本的潜在策略。本文采用制备了系列N掺杂的Fe基碳材料催化剂，并采用XRD、XPS、BET、TEM和SEM等手段对催化剂进行表征，利用CV、LSV和EIS进行电化学测试。在单室空气阴极微生物燃料电池上，研究了催化剂对微生物燃料电池产电性能的影响。结果表明: (1)以廉价的乙腈为氮源，硝酸铁为铁源，一步水热法制备MIL-53(Fe)-N催化剂前体，再经N2氛围中热解制备了不同Fe含量的Fe(x)@N-C催化剂，研究了Fe用量x对催化剂结构、电化学性能以及MFC产电性能的影响。在Fe(x)@N-C催化剂中，Fe(0.3)@N-C催化剂表现出最好的ORR性能，开路电压为0.60V,接近于Pt/CMFC(0.61V),功率密度为604.6mW·m-2。MFC输出电压稳定在0.58V,且稳定性优于商业Pt/C催化剂。 (2)以四丁基氢氧化铵(TABOH)为模板剂，Fe/Zn-ZIF为前体，制备了含氮多孔碳Fex-N-C@TABOH(x为不同的铁负载量)电催化剂。在所制备的复合材料中，Fe4-N-C@TABOH具有最大的比表面积和孔体积，以及最多的Fe-Nx活性中心。MFC中Fe4-N-C@TaBOH的功率密度为830.1mW·m-2,接近商业Pt/C(933.8mW·m-2)的功率密度，且稳定性更好。 (3)以酞菁铁为铁源和氮源，通过将FePc分子锚定在吡啶功能化的石墨烯上，成功制备了具有FeN5活性位点的Fe@N5-C复合材料催化剂。在800℃碳化后得到的Fe@N5-C催化剂性能最佳，其起始电位为0.84V,接近商业Pt/C的起始电位(0.89V)。催化剂应用于MFC时，最大功率密度为859.0mW·m-2,略低于商业Pt/C催化剂的最大功率密度(933.8mW·m-2)。
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