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二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池

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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;(2)电池结构;(3)隔膜的种类与性能;(4)阳极电子供体和电极材料;(5)阴极电子受体与电极材料。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~-0.45 V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,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,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,并已应用于金属-空气电池,尤其是锌-空气电池中。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1 mol/L KOH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,因此,本实验对MFC在碱性阴极液条件下的研究为其应用拓宽了空间。

1.实验

1.1材料与仪器

质子交换膜(Nafion117,美国Du Pont公司),使用前在 质量分数为3%的H2O2中煮沸1 h以除去表面有机物,然后 依次在80℃的去离子水、0.5 mol/L的硫酸、去离子水中各处 理1 h,最后置于去离子水中备用。石墨毡(几何面积为4.5 cm×4.5 cm,真实表面积>0.69 m2)以铜导线接入外电路,连 接部分用环氧树脂密封;石墨纸厚0.5 mm;MnO2、高纯石墨 粉等试剂均为分析纯。

16通道电压数据采集器(AD8223,北京瑞博华控制技术有限公司),电阻箱(1~99 999Ω),万用表(胜利9807 A), 电化学工作站(CHI605C,上海辰华仪器有限公司),恒温培养箱(HPG-280H,哈尔滨东联电子技术开发有限公司)。

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