铁氮共掺杂的多孔碳材料MFC阴极的制备与催化性能研究

• 作 者: 张璐
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 微生物燃料电池 金属有机框架 氧还原反应 铁

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种绿色能源,其利用富集在阳极的微生物作为催化剂氧化有机物,将化学能转化为电能。但是,目前MFC的产能效率普遍很低,其中阴极性能是影响产能效率的主要因素之一。金属铂(Pt)由于其高电催化活性是目前最好的氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)催化剂,但昂贵的价格和较少的资源储备限制了其广泛使用。因此,开发低成本、性能好的阴极催化剂对MFC的工业化至关重要。针对目前MFC存在的一些主要问题,本论文从催化剂成本及电催化性能出发,采用廉价过渡金属铁(Fe)与锌(Zn)作为金属离子中心合成金属有机框架(Metal Organic Frameworks,MOFs)材料,并以MOFs作为前驱体,通过高温碳化,成功制备了铁氮共掺杂的多孔碳材料,应用于MFC阴极并考察其性能。本论文研究了不同碳化温度对所合成催化剂性能的影响,以MOFs材料为唯一碳源,通过不同高温煅烧,获得的材料记为Fe-Zn-X(X=700,800,900)。同时制备了单金属Fe基MOFs材料作为对照,同样800℃碳化后记为Fe-800。对这些材料进行一系列物理表征及电化学测试,考察所制备的铁氮共掺杂的多孔碳材料的导电特性以及电化学活性,综合测试结果分析,Fe-Zn-800导电性最好,具有最高的比表面积为544.83 m2/g,且吡啶型N与石墨型N含量总和最高,石墨化程度最高。同时Fe-Zn-800催化剂的电化学活性测试结果综合来看也是最优异的,测试结果发现其有较正的还原电位以及最大的闭合曲线面积,且其催化氧还原反应为4电子转移路径。最后将这些多孔碳材料涂覆在碳布表面用于MFC的阴极催化剂,选用碳刷做阳极,构建单室微生物燃料电池,对其进行产电性能研究。实验结果表明,Fe-Zn-800 MFC具有最高的功率密度以及输出电压,功率密度达到0.76 W/m2,电压达到0.53 V。其功率密度是商用Pt/C MFC的1.3倍,明显优于Fe-800 MFC的电池功率密度,0.21 W/m2。本论文制备的铁氮共掺杂的多孔碳材料电催化性能优于商用Pt/C催化剂,有望成为替代传统Pt/C催化剂的材料。