论文部分内容阅读
掺杂态碳纳米材料是一种新型并具有广阔应用前景的非贵金属催化材料。近年来，铁氮共掺杂纳米碳材料作为微生物燃料电池非贵金属氧还原催化剂成为研究热点之一。 本论文通过化学沉淀法制备聚苯胺/普鲁士蓝纳米复合材料PANI-PB，并对其进行高温碳化得到一种新型铁氮共掺杂碳材料Fe-N/C。首先考察碳化温度和铁氰化钾溶液浓度对Fe-N/C纳米复合材料催化氧还原反应性能的影响。然后，利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氮气吸脱附等温曲线、傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱技术(XPS)等技术对其形貌、组成和结构进行表征。实验结果表明，制备Fe-N/C过程中最佳的K3[Fe(CN)6]溶液浓度为0.02 mol/L，最佳的碳化温度为800～900℃。 利用循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)技术考察Fe-N/C修饰GC电极分别在氢氧化钾溶液、磷酸盐缓冲溶液和高氯酸溶液中对氧还原反应的电催化性能。研究发现Fe-N/C修饰电极对氧还原反应的电催化活性优于碳化聚苯胺（c-PANI）和碳化普鲁士蓝(c-PB)修饰电极，说明氮掺杂形成的C-N和Fe-N结构在Fe-N/C催化过程中表现出协同作用。在氢氧化钾碱性溶液和磷酸盐缓冲溶液中Fe-N/C修饰电极上氧还原反应为四电子反应，在高氯酸溶液中Fe-N/C修饰电极上氧还原反应主要发生两电子反应。 最后，通过浸渍法制备Fe-N/C/碳毡材料，并将其应用于双室MFC阴极，以空气作为电子受体考察MFC的运行情况和性能，并与以碳毡为阴极材料，以铁氰化钾溶液为阴极电子受体的MFC进行了电池性能的对比研究。结果表明，以Fe-N/C/碳毡为阴极，溶解氧为电子受体的MFC输出功率较以铁氰化钾为阴极电子受体时还有一定差距，但Fe-N/C明显降低了碳毡阴极的活化损失，提高了阴极氧还原反应的效率，降低了电池内阻。Fe-N/C/碳毡阴极相对单纯碳毡阴极而言，MFC运行周期较短，同时COD的降解速率明显加快;MFC功率密度可达1.5 W/m3，远高于单纯碳毡对应的0.97W/m3;电池内阻约200Ω，明显低于单纯碳毡对应的260Ω。