摘要
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）是一种能够将有机物质通过微生物作用产生电能的生物电化学装置。在微生物燃料电池中，氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction,ORR）是电化学过程中的关键步骤，也是决定MFC性能的重要环节。为了提高ORR的效率，研究人员着重于寻找高效、稳定且经济的ORR催化剂。金属有机框架（Metal-Organic Framework,MOF）及其衍生材料在ORR催化方面展现出了巨大的潜力。MOF作为一种多孔晶体材料，其结构和组成可以通过合成和处理进行精确调控，为设计高效、稳定的ORR催化剂提供了广阔的空间。本文通过两步法设计了应用于空气阴极MFC的ORR催化剂。通过材料表面分析、电化学分析和电池性能测试等表征方式，研究了不同催化材料在MFC中应用情况，目的在于探索合成具有高催化活性、强稳定性、高成本效益和制备工艺简单的ORR催化剂。研究开展如下： 1、以水热和煅烧两步法，合成不同Cu含量的Cu-Co3O4。对比不同微量Cu含量掺杂Co3O4的SEM图像，发现Cu的加入对Co3O4的空间结构造成了影响。5%Cu-Co3O4具有规则的三维花状结构，随着掺杂比例的不同花状结构的完整度受到不同程度的破坏。比表面积（BET）测试的结果也表明5%Cu-Co3O4具有最高的比表面积，较大的比表面积能提供氧气与Cu、Co双金属活性位点的接触面，促进氧还原反应的发生。同时Cu和Co离子的相互作用影响了电子的传输和转移，5%Cu-Co3O4拥有最小的电荷转移电阻，利于ORR的电子传输。在电池中应用测试时，装配Cu-Co3O4的空气阴极MFC拥有高达82.16mW m-2的输出功率明显优于其他不同比例掺杂的材料，高达15.48%的CE预示了其在未来废水在利用中的有效应用前景。 2、以两步水热法，制备了Zn/Co-S-3DHFLM原位生长在碳布上作为微生物燃料电池的阴极。微量Zn的引入提供了双金属活性位点，减少了Co在材料中的团聚现象，改善了电子传输途径。第二步水热引入的S改善了材料的导电性能，通过吸附氧分子增强了ORR速率。在Zn/Co-S-3DHFLM中金属Zn、Co具有良好的电子传递能力和导电性，可以提高复合催化剂的电子传递速率。非金属元素硫的存在可以增强导电性，改善电子传递途径，进一步优化ORR催化性能。通过扫描电子显微镜（SEM）可以清晰观察到花状的Zn/Co-S-3DHFLM生长在碳布表面，用其组装的MFC输出功率可达172.80mW m-2，CE可达12.5%。 3、以两步水热法，在碳布上原位生长了Zn-HHTP@Ni/Co-3DHFLM。导电MOF材料Zn-HHTP具有独特的质子、电子的双导电性能，这使其成为优秀的电催化材料基础。Zn-HHTP与Ni/Co-3DHFLM复合，Zn-HHTP可以提高整体的电子传输速率和活性位点密度，而Ni/Co-3DHFLM可以提供丰富的活性位点，二者协同发挥催化作用。复合后的材料Zn-HHTP@Ni/Co-3DHFLM比表面积大小为189.86m2g-1，经历复合程序后比表面积明显增大这为丰富的活性位点与氧电子受体接触提供了优质平台。以Zn-HHTP@Ni/Co-3DHFLM为阴极催化剂的MFC输出功率可达211.25mW m-2，CE更是达到了17.72%。
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