用于農(nóng)藥廢水處理的微生物燃料電池陰極催化劑及其產(chǎn)電性能的研究.pdf

1、微生物燃料電池(microbial fuel cells，MFCs)是一種利用污水中的微生物作為生物催化劑，降解廢水中的有機物，實現(xiàn)污染物降解的同時產(chǎn)生電能，可以將污水“變廢為寶”的裝置。MFCs作為一種新型的能源回收和水資源可持續(xù)發(fā)展方式受到人們越來越多的關(guān)注。但是目前由于受到陰極氧還原催化劑鉑/碳(Pt/C)價格昂貴，自然界存儲量少，長期穩(wěn)定性差，不易工業(yè)化擴大生產(chǎn)等問題的影響，MFCs的規(guī)?；瘜嶋H應(yīng)用受到嚴(yán)重阻礙。因此，研究高性能

2、且成本低廉的氧還原催化劑對MFCs的實際應(yīng)用有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　本文以農(nóng)藥廠廢水為MFCs的底物，在去除廢水中有機物的同時，回收電能。為提高MFC的產(chǎn)電性能，開發(fā)制備了兩種雜原子摻雜的空氣陰極催化劑，應(yīng)用于單室空氣陰極微生物燃料電池中，并結(jié)合催化劑的形貌、微觀結(jié)構(gòu)以及氧還原催化活性等參數(shù)，探究雜原子摻雜對空氣陰極氧化還原反應(yīng)(ORR)催化活性的影響，推動MFC在農(nóng)藥廢水處理資源化、商業(yè)化的應(yīng)用。本文的研究結(jié)果包括以下兩部

3、分:
　　(1)通過在氨氣氛圍中直接熱處理纖維素紙，成功制備了一種比表面積高達1294.9m2/g的氮摻雜碳催化劑。電化學(xué)測試表明，氮摻雜的碳材料催化劑在中性條件下有很高的電催化活性，并且發(fā)現(xiàn)其在MFC中能得到1041±90 mM/m2的最大功率密度，是同體系下的Pt/C的最大功率密度584±10 mM/m2的兩倍。氮摻雜碳催化劑的材料學(xué)表征表明，氮原子的摻雜和熱處理獲得的大的比表面積，對ORR催化活性的提高具有重要作用。該法制備

4、催化劑過程簡單，是一種易擴大生產(chǎn)的制備方法，對于MFC的放大具有重要意義。
　　(2)在上一章的研究基礎(chǔ)之上，通過在氨氣氛圍中直接熱處理碳黑BP-2000和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物制備了氮氟共摻雜碳催化劑(BP-NF)。BP-NF催化劑相比單一氮摻雜(BP-N)和單一氟摻雜(BP-F)催化劑具有更好的電催化活性，主要表現(xiàn)在高的起始點位和極限電流密度。氮和氟共摻雜碳材料獲得的高電催化活性，可歸功于雜原子間協(xié)同效應(yīng)的影響。通過構(gòu)

5、建單室空氣陰極微生物燃料電池對各種陰極催化劑的產(chǎn)電性能進行研究，氮氟共摻雜的BP-NF得到672 mM/m2的最大功率密度為和749 mV的開路電壓，要比商用Pt(572 mM/m2，693 mV)、BP-N(588 mM/m2，655 mV)以及BP-F(524 mM/m2，645 mV)的最大功率密度和開路電壓都高。這種方法制備的氮氟共摻雜碳催化劑，原料已商業(yè)化生產(chǎn)，價格低廉。制備過程簡單，可按比例擴大生產(chǎn)，為以后制備高效微生物燃料