微生物燃料电池中氧还原催化剂的制备、表征及其应用

摘要

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)能够利用产电微生物代谢分解各种有机物,将化学能直接转化为电能,可在处理污水及废弃物的同时回收电能,是环境工程及能源领域中一个新兴的研究方向。在各种类型的MFC中,空气阴极微生物燃料电池(Air-cathode Microbial Fuel Cell,ACMFC)因其阴极直接使用空气中的氧气作为氧化剂而具有诸多优势。但ACMFC阴极的氧还原反应通常需要在铂的催化下才能顺利进行,昂贵的铂大大增加了ACMFC的运行成本,限制了MFC的发展,使得ACMFC仍停留在小规模的实验室水平上。低成本高性能的阴极催化剂的开发是ACMFC研究领域亟待解决的难题。本文自组装了单室微生物燃料电池,通过将铂与其他非贵金属形成合金并负载到低成本的碳载体上,以获得价格低廉,氧还原催化性能优越的合金催化剂,主要做了以下四项研究。
　　1、以羧基化的多壁碳纳米管为载体,采用硼氢化钠在碱性条件下还原制备了原子比为1:1的Pt-Ni催化剂(15 wt％Pt),利用XRD,TEM测定了其晶体结构、分散情况及纳米尺寸,并将其应用到了自组装的MFC中。通过与商品化Pt/C(wt20％)的比较得出其催化性能相当,成本降低了约25％。
　　2、利用修饰的Hummers法制备了氧化石墨,超声剥离后经过乙二醇回流还原得到石墨烯,同时将金属铂和钴前驱体还原到石墨烯上,成功得到了石墨烯负载的铂钴合金催化剂,通过XRD,TEM研究了其晶体结构和分散情况及颗粒大小,并成功的应用到了自组装的单室MFC中。通过与商品化Pt/C性能的比较得出,此种催化剂成本降低了约25％,催化性能相当,这种催化剂在MFC阴极催化剂的应用中表现出较大的潜力。
　　3、用乙二醇作为溶剂和稳定剂,硼氢化钠还原的方法合成了炭黑负载不同Pt-Co原子比的合金纳米颗粒并成功的将其应用到MFC的空气阴极中。其中Pt-Co原子比为1:1时的催化剂质量活性达到商品化铂碳的2.8倍,稳定性也得到了改善。
　　4、在丙三醇的稳定下,采用硼氢化钠在室温下一步还原得到了三种不同原子比的PtxFe/C催化剂。电化学测试显示合金催化剂具有较大的电化学比表面积,在酸性和中性条件下性能最好的是Pt:Fe原子比为3:1的催化剂,稳定性也优于商品化铂碳。MFC测试表明,所合成的Pt3-Fe/C催化剂最高功率密度达到1680±15mW m-2,比目前商品化铂碳(1422±18mW m-2)的高出18％,而且稳定性也得到了大幅度的提升。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

前言

第一章 绪论

1.1 MFC的发展历程

1.2 MFC的工作原理

1.3 MFC的分类

1.4 MFC的特点

1.5 MFC的应用领域

1.6 MFC的发展方向

1.7 MFC的材料

1.8 评价MFC的性能参数

1.9 氧还原催化剂性能的评价

1.10 本课题研究的意义及主要内容

第二章 多壁碳纳米管负载的Pt-Ni合金作为MFC催化剂的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 石墨烯负载的Pt-Co合金作为MFC催化剂的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 乙二醇稳定的硼氢化钠还原法制备炭黑负载的不同比例的Pt-Co合金纳米颗粒及在MFC中的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 丙三醇稳定的硼氢化钠还原法合成PtxFe合金及在微生物燃料电池中的应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文