微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展-杨改秀

书檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵殝殝殝殝综合评述微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展杨改秀a孔晓英a孙永明a*李连华a袁振宏a陆天虹b(a中国科学院广州能源研究所可再生能源与天然气水合物重点实验室广州510640;b江苏省生物功能材料重点实验室，南京师范大学化学与环境科学学院南京210097)摘要在微生物燃料电池(MFC)中，以氧为电子受体具有很多优点，但氧阴极还原的反应动力学慢，会造成阴极电势的损失。因此，提高阴极对氧还原的电催化活性和降低催化剂的价格是MFC非生物阴极催化剂的研究重点之一。本文综述了近年来MFC中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。重点讨论了贵金属Pt、过渡金属大环化合物以及金属氧化物催化剂对氧还原的电催化活性。其中，非贵金属氧化物及过渡金属大环化合物催化剂具有良好的性能，而且价格低廉，有望成为MFC非生物阴极Pt基催化剂的替代催化剂。关键词微生物燃料电池，阴极催化剂，氧还原，电催化活性中图分类号:O646．5文献标识码:A文章编号:1000-0518(2012)02-0123-06DOI:10．3724/SP．J．1095．2012．002022011-05-12收稿，2011-07-06修回国家自然科学基金-青年科学基金资助项目(21006105)通讯联系人:孙永明，副研究员;Tel:020-87057735;Fax:020-87057737;E-mail:sunym@ms．giec．ac．cn;研究方向:沼气工程及微生物能源目前，解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的可再生能源是人类社会解决可持续发展的两大根本性问题。微生物燃料电池(MFC)是利用微生物作为生物催化剂将化学能直接转化为电能的一种装置，在净化污水的同时收获电能，因而受到了广泛的关注［1］。与其它燃料电池相比，MFC具有以下特点:1)原料广泛。可以利用一般燃料电池不能利用的多种有机、无机物质作燃料，甚至可直接利用污水等，能够实现废物的重新利用;2)操作条件温和。一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作的，这使电池维护成本低、安全性强;3)能量利用高效性。MFC是将来热电联用系统的重要组成部分，使能源利用率大大提高［2］。目前，MFC输出功率低、高成本是制约其实际应用的瓶颈［3］。为了提高MFC的输出功率，人们使用高还原性的物质作为电子受体，比如铁氰化物［4-5］和高锰酸盐［6］，但由于它们不可再生、需增加额外成本的问题使其不具备实用价值。利用廉价易得的空气中的O2作为电子受体无疑是最佳选择，但是氧的还原是一个不可逆反应，其反应动力学慢，会造成阴极电势0.3～0.4V的损失［3］。因此提高阴极氧还原的电催化活性是MFC的研究重点之一。根据阴极催化剂种类可以将MFC阴极分为非生物型阴极(abioticcathode)和生物型阴极(biocathode)。通常，与生物型阴极催化剂相比，非生物型阴极催化剂能显著提高MFC的产电性能。但是，其成本比较高。为了进一步提高MFC的产电性能，降低MFC的成本，科学家们就非生物阴极催化剂方面做了大量的研究。一般均用Pt作为阴极催化剂，因为它具有高电催化活性和化学稳定性，是较好的氧还原反应催化剂，其缺点是价格昂贵和资源少。到目前为止，除了Pt阴极催化剂外，报道过的非生物阴极催化剂还有过渡金属大环化合物、卟啉-金属氧簇超分子化合物、金属氧化物以及炭黑等等。本文系统地介绍了MFC非生物阴极催化剂的最新研究进展，包括催化剂种类和电催化性能(表1)及存在的问题等，为开发高效、低成本的MFC非生物阴极催化剂提供理论指导。第29卷第2期应用化学Vol．29Iss．22012年2月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYFeb．20121贵金属Pt催化剂早在20世纪60年代初期，Pt黑就已经被用作燃料电池阴极催化剂，但是由于其价格昂贵、资源有限，因此后来的研究集中于降低催化剂的载量方面。70年代初期，通过将Pt载到高比表面积的活性炭上，不仅大大提高了Pt的利用率，而且降低了Pt载量，美国LosAlomos国家实验室通过在质子膜燃料电池(PEMFC)的多孔气体扩散电极中，浸渍质子导体并结合膜电极集合体的热压技术，扩展了电极的三维反应区，提高了催化剂的利用率，使Pt载量由4×10－3g/cm2降低至0.4×10－3g/cm2或更低［7］。对Pt在MFC的阴极表面的制备也进行了大量的研究，Oh等［4］以溶氧为电子受体，以Pt/C作为阴极催化剂，在接种120h后，功率达到0.097mW，电子回收率在63%～78%之间。如果除去阴极表面的Pt，电能则减小78%。后来人们又运用各种电沉积技术降低Pt的载量，提高电池的性能。该技术的发展使得电极表面的载Pt厚度达到了300～400nm。各种各样的电沉积Pt催化剂电极也被应用