微生物燃料电池阴极催化剂载体的研究进展-王艳芳

微生物燃料电池（MFC）是一种利用细菌通过生物质将化学能直接转化为电能的新装置。与其他燃料电池相比，MFC具有以下特点：1）材料来源广泛。可以利用多种有机、无机物质做燃料，而一般燃料电池无法比及；2）操作条件温和。一般是在常温、常压和接近中性的操作环境中工作的。这使电池维护成本降低、安全性增高；3）能量利用高效性。可以利用废弃物作为原料，产能发电，使废弃物变废为宝。MFC是将来热电联用的重要组成部分，使能源利用率大大提高[1]。目前，MFC输出功率低、制作高成本是制约其实际应用的瓶颈[2]。金属大环化合物卟啉和酞菁化合物和锰氧化物有望成为MFC非生物阴极替代催化剂[3]。因此，提高阴极催化剂载体的相对高导电性、降低成本是MFC的研究重点之一。根据阴极催化剂载体的种类可以将MFC阴极催化剂载体分为石墨烯、碳纳米管、碳基材料、活性炭颗粒等等。1石墨烯石墨烯的理论比表面积高达2630m2／g，具有突出的不受温度影响的高速电子迁移率1500cm2/(V·S)。石墨烯具有特殊的二维结构，使其具有室温量子隧道效应、反常量子霍尔效应、双极性电场效应等一系列独特的电学性质[4,5]。石墨烯/金属复合物的优势在于石墨烯拥有相当大的比表面积，其独特的电子特性，更能加强催化剂的活性，使其成为催化剂载体的理想材料。有学者研究实验表明，相同载量的Pt/Gr和JM-Pt/C电极，Pt/Gr的电化学活性面积比JM-Pt/C高出了57.7%，氧化还原电位正移了24mv。这说明大比表面积的Gr所带来的连续电子传递通道，同以粉末为载体相比，防止了催化剂粒子因聚合物粘结而导致的团聚，进而与电解质隔离。石墨烯独特的表面特征使其在和高载量催化剂方面相比优势明显。而且相比于颗粒状碳载体，石墨烯表面均匀分布了一些功能化含氧官能团，这些含氧基团一方面阻止了石墨烯内部层与层之间的搭接，使其发达的比表面积得以平衡，另一方面经热膨胀和化学还原后，表面的含氧基团基本转化成羟基和羰基，使石墨烯在水相中能够稳定分散，更有利于形成更多的结晶中心粒子[6]。Gr具有优良的导电性使得Pt催化剂在片层Gr上有更高的利用率。以及可能存在的Gr表面活性中心与Pt催化剂之间的协同催化作用，Gr有可能成为未来燃料电池氧化还原的主要催化剂载体[7]。常见的负载金属还有金[8]，微生物燃料电池阴极催化剂载体的研究进展王艳芳，梁娟，吴腾飞（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）摘要：微生物燃料电池是在水处理领域中集污水处理与产电功能为一体的新技术。但其产电性能低与其制作成本高制约着微生物燃料电池向实用化发展。因此，提高阴极对氧还原的电化学活性和降低阴极催化剂的制备成本是微生物燃料电池的研究重点之一。本文综述了近年来微生物燃料电池中非生物阴极氧还原催化剂载体的最新研究进展。重点讨论了石墨烯、碳纳米管、碳基材料等作为催化剂载体的种类、电催化性能、催化剂的负载方法以及存在的问题等。其中，经高温加硝酸处理后的碳基材料表面活性提高、导电能力增强，且价格低廉，有望成为微生物燃料电池非生物阴极催化剂载体的推广使用。为开发高效能、低成本的微生物燃料电池非生物阴极提供理论指导。关键词：微生物燃料电池；阴极催化剂载体；氧还原；电催化活性；催化剂的负载方法doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2013.04.005中图分类号：TQ426.65文章编号：1008-1267（2013）04-0016-03文献标志码：A收稿日期：2013-03-14第27卷第4期2013年7月天津化工TianjinChemicalIndustryVol.27No.4Jul.2013第27卷第4期钯。例如Kamat教授[9]关于金负载的石墨烯报道，但是其用硼氢化钠这一强还原剂，毒性较大，不符合绿色环保的理念，不适用于污废水的处理技术，所以有人基于固相法制备石墨烯-金纳米复合材料，效果良好。杨辉等[10]采用改进Humers法氧化石墨，对其超声波离氧化石墨烯，得到了还原态的氧化石墨烯负载Pd催化剂，表现出了商业化Pd/C更高的电催化活性和稳定性。李林儒等[11]用石墨烯（Gr)代替VulcanXC-72作为Ir的载体制备了石墨烯（Gr/Ir)催化剂并将其用于氨氧化的试验中，结果表明Gr/Ir催化剂比VulcanXC-72催化剂有更优越的电催化性能。石墨烯的高比表面积，高导电性，高电子传输性能，为石墨烯作为金属粒子催化剂的负载提供新的研究领域。但是由于其成本较高，故不适合应用于微生物燃料电池的推广。2碳纳米管碳纳米管具有良好的导电性、化学稳定性以及很高的机械强度，被认为是一种理想的电极材料。Fe对MWNT电极进行修饰得到Fe-MWNT电极，增大燃料电池的产电效率[12]。张叶臻等[13]成功制备了表面修饰二氧化锰的多壁碳纳米管(