二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池-孙瑾华

838收稿日期：2008-04-21基金项目：国家自然科学基金（20573039），科技部国际科技合作重点项目计划(2005DFA60580)，广东省攻关项目(2005B50101003)作者简介：孙瑾华(1986—)，女，广东省人，学士，主要研究方向为化学。Biography:SUNJin-hua(1986—),female,bachelor.二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池孙瑾华，刘建好，黄呈珠，张礼霞，李伟善（华南师范大学化学与环境学院,广东广州510006）摘要：以循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）考察MnO2对氧还原反应（ORR）的催化行为，并采用MnO2作为阴极氧还原催化剂构建微生物燃料电池(MFC)。结果表明，MnO2对ORR有显著的催化作用，而且其催化效果随电解质碱性增强而增强；当以肺炎克雷伯氏菌（L17）为产电微生物、3g/L葡萄糖为燃料、1mol/LKOH溶液为阴极液时，该MFC的最大输出功率可达696.3mW/m2，对应电流密度为0.25mA/cm2。关键词：微生物燃料电池；阴极催化剂；氧还原反应；二氧化锰中图分类号:TM912.9文献标识码：A文章编号：1002-087X(2008)12-0838-03MicrobialfuelcellusingmanganesedioxideascathodicoxygenreducingcatalystSUNJin-hua,LIUJian-hao,HUANGCheng-zhu,ZHANGLi-xia,LIWei-shan(DepartmentofChemistry,SouthChinaNormalUniversity,GuangzhouGuangdong510006,China)Abstract:Atwo-chambermicrobialfuelcell(MFC)wasdesignedwithoutanyredoxmediator,inwhichmanganesedioxide(MnO2)wasappliedasthecathodiccatalystofoxygenreductionreaction(ORR)andKlebsiellapneumoniaeastheelectricigenicmicroorganisminanodechamber.Whenusing3g/Lglucosesolutionasanodicfueland1mol/LKOHsolutionascatholyte,themaximumoutputpowerofMFCattainedto696.3mW/m2,withthecorrespondingcurrentdensityof0.25mA/cm2.Keywords:microbialfuelcell;cathodiccatalyst;oxygenreducingreaction;manganesedioxide微生物燃料电池（MFC），是一种利用微生物作为催化剂将化学能转化为电能的装置，是微生物学与燃料电池技术相结合的产物。在微生物的催化作用下，MFC阳极室中有机物所包含的电子被提取出来，并通过外电路传递到阴极，与质子及氧反应生成水，产生电流的同时有机物得以降解。提高MFCs的电能输出是目前研究的重点，其影响因素主要有：（1）产电微生物种类及电子媒介体[1-2];（2）电池结构[3];（3）隔膜的种类与性能[3-4];（4）阳极电子供体和电极材料[5];（5）阴极电子受体与电极材料[5-6]。尽管利用空气中的氧作为电子受体具有较大成本优势和实用价值，然而由于动力学因素的影响，氧还原反应（ORR）的阴极存在－0.3～－0.45V的过电势，因此ORR的特性可直接影响MFCs性能。金属铂具有高电催化活性和化学稳定性，在酸性或碱性条件下均是最好的ORR电催化剂[7]，然而Pt的昂贵限制了它的广泛使用。开发高效廉价的ORR催化剂是加速MFC应用的重要研究方向，有报道热解酞菁铁（pyr-FePc）、四甲基苯卟啉钴（CoTTMP）等材料具有较好的催化性能[8]，但制备工艺复杂、稳定性差。MnO2是一种来源广泛、价格低廉的氧还原催化材料[9]，并已应用于金属-空气电池，尤其是锌-空气电池[9]中。其催化机理也较明确。本文将MnO2涂敷于惰性石墨纸基体上作为催化电极，利用循环伏安法（CV）考查MnO2在1mol/LKOH溶液中催化氧还原反应的行为，并将此催化电极作为双室产气肠杆菌MFC阴极，探讨阴极液pH值对电池性能的影响。实验结果表明，MnO2可作为一种高效廉价的MFCs阴极催化剂，且阴极液pH值的增大有利于电能的输出，而目前对MFCs的研究多在中性或酸性磷酸缓冲液中进行，多篇文献报道MFC的输出电压随pH值的增加而降低[10]，因此，本实验对