【摘 要】
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能源危机和环境污染问题使人们意识到开发绿色、高效、可持续清洁能源的重要性。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种可以从污水处理过程中回收电能的新型可持续生物能源技术,其操作条件温和,且环境友好,因此,备受关注,前景看好。阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）是影响MFC性能的关键因素之一。因此,设计开发催化活性高、稳定性强、成本
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能源危机和环境污染问题使人们意识到开发绿色、高效、可持续清洁能源的重要性。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种可以从污水处理过程中回收电能的新型可持续生物能源技术,其操作条件温和,且环境友好,因此,备受关注,前景看好。阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）是影响MFC性能的关键因素之一。因此,设计开发催化活性高、稳定性强、成本低廉的ORR阴极催化剂是MFC研究领域的热点。近年来,铜基催化剂由于具有配体简单、毒性低、价格低廉等优势而被认为是有前景的ORR催化剂。构建缺陷、形貌调控、共掺杂以及与量子点复合等方式是提高催化剂催化活性的常用有效策略,它们可改变催化剂的电荷分布,增强导电性,提升其对氧气、电子的传递能力,从而提高ORR催化活性和稳定性。本研究制备了富含金属铜缺陷的V-Cu36NixPt45和N,S-CQDs/Cu2O-Cu NWs催化剂,并对其进行理化性质表征和ORR电催化活性测试,明确催化剂的构效关系;此外,将其应用于MFC的阴极,评估其性能、长期运行稳定性及实际应用潜力。本研究取得的主要结果如下:（1）以泡沫镍为基底材料,通过采用一种简单的水热合成法,在Ni（OH）2纳米片上生长Cu缺陷的三维花朵状V-Cu36NixPt45纳米球。结果表明,优化后的材料具有更多的Cu缺陷,有利于暴露更多的ORR动力学活性位点。在ORR过程中,C=O键可以作为活性物质,促进解吸和吸附的平衡。优异的ORR活性是由于其独特的形貌、丰富的Cu缺陷和C=O键活性物质,促进电子的传递,提高电导率。在MFC中,V-Cu36NixPt45的最大功率密度(1682.8±40.9 m W·m-2)是Pt/C(658.0±41.7 m W·m-2)的2.56倍,而输出电压在50 d内保持相对稳定,也优于Pt/C。（2）基于生物质衍生的碳量子点（CQDs）具有丰富的官能团、优异的导电性能和良好的环保特性,通过水热法合成了橘子皮衍生的N,S共掺杂碳量子点（N,S-CQDs）,并原位锚定在富铜缺陷Cu纳米线/Cu泡沫铜（V-Cu NWs/CF）上（以泡沫铜为基底材料）,得到了N,S-CQDs/Cu2O-Cu NWs,作为MFC中的阴极ORR催化材料。由于N,S-CQDs与V-Cu NWs/CF的C-S-Cu桥接作用,优化了N,S-CQDs/Cu2O-Cu NWs的电极/电解质传输界面,降低电荷转移电阻,同时具有丰富的催化活性位点,使得N,S-CQDs/Cu2O-Cu NWs的ORR活性优于Pt/C催化剂。在MFC中,N,S-CQDs/Cu2O-Cu NWs的最大功率密度(924.5±32.5 m W·m-2)是Pt/C(686.5±28.0 m W·m-2)的1.34倍,在30 d内的稳定性也优于Pt/C。
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