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微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC),作为一种将污水蕴含的生物质能转化为电能的资源化方法,已经成为环境工程领域研究者近年来关注的重点方向。其中无膜单室MFC因其具有内阻小和成本低两大优势使其成为MFC扩大化及未来工业化应用中较为理想的构型。然而,单室MFC的阴极微生物污染问题突出,降低了其产能效率,同时阴极Pt/C贵金属催化剂价格昂贵,也抵消了单室MFC的工业化应用优势。因此,开发一种新型的、具有抗微生物污染性能的非贵金属催化剂,对MFC的发展具有重要的应用价值。已有研究结果表明,掺杂异原子的碳基材料能够提高碳材料的氧还原催化活性,从而提高MFC的产电效率;引入含氧官能团的碳材料作为MFC阴极催化剂,可以达到原位除菌的效果。为此,本课题提出一种新颖的类模板法,制备出一种以 Vulcan XC-72(Conductive Carbon,CB)为核、氮掺杂石墨烯(Nitrogen-doped Graphene,NG)为壳、以十六烷基三甲基漠化铵(Cetyltrimethyl Ammonium Bromide,CTAB)为桥梁链接CB和NG的聚合包裹状多孔复合材料(NG@CB),比表面积大,因而具有理想的高催化性能。研究内容分为以下几个部分:(1)优化NG@CB复合材料的制备方法。分别采用类模板法、负载法及机械混合法制备NG@CB复合材料。运用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、透射电镜(Transmission Electron Microscope,TEM)、X 射线衍射(X Ray Diffraction,XRD)、X 射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectrometric,XPS)及拉曼光谱(Raman)等技术对这三种方法制备得到的NG@CB复合材料进行理化性质表征,采用循环伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)、极化曲线、塔菲尔曲线(Tafel)等技术对这三种材料进行电化学性能测试。结果表明,仅类模板法制备的NG@CB复合材料具有包裹状结构,且氧还原催化活性高于其余两种方法制备的复合材料。进一步,通过优化GO与CB的质量比提高类模板法所制备的NG@CB复合材料的氧还原催化性能。根据理化性质和电化学性能表征的结果可得,当GO:CB的质量比为10:1时,所得NG@CB-10材料的氧还原催化性能最高,氧还原电子转移数为3.91±0.01。(2)评价NG@CB-10复合材料的性能及成本。将NG@CB-10与NG及商业Pt/C作为阴极催化剂应用于双室空气阴极MFC中,监测三组电池的库仑效率(Coulombic Efficiency,CE)、COD去除率、极化曲线及功率密度等指标。研究结果表明,虽然NG@CB-10的产电性能稍逊于Pt/C,综合考虑催化剂成本及负载量等方面,以NG@CB-10替代Pt/C作为MFC阴极材料具有巨大潜力。(3)考察NG@CB-10的抗生物污染活性。将NG@CB-10与NG及Pt/C作为阴极催化剂应用于单室无膜空气阴极MFC中,运行一个月,监测三组电池的CE、COD、极化曲线及功率密度等指标,评价三组电池性能衰退情况。同时,采用考马斯亮蓝法(Coomassie brilliant blue method)测量三组电池的阴极生物量。结果表明,NG@CB的抗生物污染能力最佳,其次是NG,Pt/C最差。因此,本文提出一种新颖的制备方法,即类模板法。采用这种类模板法制备得到的NG@CB具有优异的氧还原催化活性和抗生物污染性能,为MFC工业化应用提出了一种新颖的制备材料思路。