Fe/Zn-NC阴极催化剂氧还原性能及其对SMFC运行效能影响研究

作     者：柴元吉 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于泊蕖

授予年度：2024年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0815[工学-水利工程] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：沉积物微生物燃料电池 氧还原反应 阴极催化剂 铁锌双金属氮掺杂 

摘      要：近年来,城市化进程导致水体污染愈发严重,其中,河道与湖泊的污染水体治理是目前的研究重点。在此背景下,微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）作为一种绿色可持续发展技术,能够在产电的同时对水体污染物去除,被广泛关注。水体沉积物与上覆水体之间持续进行的物质与能源的交换,是水体水质持续恶化的主要因素之一,从根本上消除水质污染,可以通过沉积物微生物燃料电池技术（Sediment microbial fuel cell,SMFC）来强化水体自净过程实现。由于限制MFC和SMFC性能的一个重要因素是阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）,因此为提高ORR速率,首先制备了以聚苯胺为碳基载体,铁、锌双金属与氮共掺杂的高效阴极催化剂,并对催化剂进行多种形貌表征分析和电化学测试,进一步通过旋转圆盘电极（RDE）测试,阐明了阴极催化剂氧还原反应的四电子转移机制,构建了单室MFC,通过改变实验条件,探讨了上覆水深度、沉积物厚度、阴极催化剂、阳极接种活性污泥、外电阻、碳源、DO、NH4+-N、串并联等因素对SMFC的产电性能以及污染物去除效率的影响。 在氮气氛围下800℃高温热解合成的铁、锌双金属氮掺杂阴极催化剂Fe/Zn-NC,形成了多孔交联式结构;Fe和Zn分别以Fe O/Fe2O3和Zn O的固体颗粒物形态存在,催化剂有着均匀、分散的活性位点,加快了电子的转移;双金属掺杂催化剂（Fe/Zn-NC）与单一金属掺杂催化剂（Fe-NC和Zn-NC）以及不掺杂金属催化剂（NC）相比,其石墨化程度最高（ID/IG=1.25）,导电性最好,有助于加快ORR速率;固定锌掺杂量,当乙酸铁加入量为0.9 g（Fe/Zn-NC-0.9）,催化剂的石墨氮和吡啶氮的含量最高,分别为39.1%和32.7%,提高了N-C的活性位点,加快了ORR速率;LSV、Tafel和EIS等测试进一步证明Fe/Zn-NC-0.9催化剂有着最佳的电化学性能,极限电流密度为7.85 m A·cm-2,Tafel斜率为53.3 m V·dec-1,电荷转移阻抗为5.6Ω,溶液阻抗6.7Ω。 在构建的单室MFC中,负载Fe/Zn-NC-0.9催化剂空气阴极MFC具有最好的产电性能与污染物降解效率,其输出电压为0.354 V,功率密度为1253.2 m W·m-2,库伦效率为13.7%,COD和NH4+-N去除率分别为68.9%和94.1%。将Fe/Zn-NC-0.9催化剂应用于SMFC中,沉积物和上覆水深度分别为3 cm时,底物传质限制与电池欧姆损耗较低;阴极负载催化剂可以明显提高氧还原性能;外加1000Ω电阻,SMFC具有较大电势差,输出功率最高;SMFC进行串联与并联,出现能量损失,导致串联电压较低,并联电流较低;阳极接种活性污泥,加快SMFC的启动,与微生物数量增加有关;当DO=7 mg·L-1,阴极附近氧浓度升高,且曝气成本较低;CH3COONa作为碳源,容易被微生物吸收,增强了电活性菌将化学能转化为电能的能力;NH4+-N可以为微生物提供营养物质以及提高溶液的电导率,浓度为160 mg·L-1时,产电菌对其有较好的缓冲能力,获得较高的产电性能。