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多壳层中空FeP微球的制备及全p H范围的电催化产氢性能

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高等学校化学学报 2019年第11期40卷 2340-2347页

作者：唐佳易姚俊杰张晓君马梁张婷妹牛峥陈祥祯赵亮江林孙迎辉苏州大学能源学院能源与材料创新研究院苏州215006 东北电力大学化学工程学院吉林132012 苏州大学功能纳米与软物质研究院苏州215123

设计合成了一种多壳层中空多孔结构的磷化铁(FeP)微球,通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对微球的表面形貌和物相组成等进行表征,并通过电化学工作站测试了材料的析氢性能.结果表明,... 详细信息

设计合成了一种多壳层中空多孔结构的磷化铁(FeP)微球,通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对微球的表面形貌和物相组成等进行表征,并通过电化学工作站测试了材料的析氢性能.结果表明,FeP微球和掺杂导电剂碳纳米管(CNT)后的FeP/CNT复合电催化剂在宽pH范围的电解液中均展现出了优异的电催化活性,在酸性、碱性和中性条件下析氢反应过程中的塔菲尔斜率分别为55.0,64. 9,163.2m V/dec,当电流密度达到10m A/cm^2时,过电势仅分别为97,169,495mV(vs. RHE),且表现出了超长的循环稳定性.

关键词：磷化铁多壳层中空微球电催化剂析氢反应

过渡金属磷化物纳米材料的合成及氢气析出电催化性能研究

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过渡金属磷化物纳米材料的合成及氢气析出电催化性能研究

作者：李慧明北京化工大学

学位级别：硕士

过渡金属磷化物纳米材料由于其优良电催化性能越来越受到电化学科研工作者的广泛关注。本论文围绕Ni、Fe基磷化物纳米材料的合成、表征及其电催化析氢性能。具体研究内容如下:第一部分研究了不同相态镍磷化物纳米颗粒的可控合成方法以... 详细信息

过渡金属磷化物纳米材料由于其优良电催化性能越来越受到电化学科研工作者的广泛关注。本论文围绕Ni、Fe基磷化物纳米材料的合成、表征及其电催化析氢性能。具体研究内容如下:第一部分研究了不同相态镍磷化物纳米颗粒的可控合成方法以及它们的析氢电催化活性。通过改变P/Ni前驱体的比例控制合成镍磷化物的相态。改变反应时间和中间合成步骤可以进一步纯化小粒径的Ni5P4相。小粒径的Ni5P4比Ni12P5和Ni2P展现出更高的析氢活性,当负载量仅为0.12 mg cm-2时仅仅需要103 mV的过电势就可以获得10mA cm-2的析氢电流密度,且Tafel斜率也仅为51 mV dec-1。这主要是因为Ni5P4本身具有特殊的电子结构和制备出的纳米晶粒径较小使得催化剂暴露了更多的活性位点。所以纳米颗粒的相态和形貌是影响电化学活性的关键因素。之后系统研究了不同的金属掺杂到FeP纳米颗粒中对电化学析氢反应催化活性的影响。通过掺杂Co,Cu,Mn到FeP纳米颗粒中,分别得到Co-Fe-P、Cu-Fe-P和Mn-Fe-P三元磷化物,额外的金属引入改变了原来FeP的表面电子状态,从而提高析氢活性。这其中Co-Fe-P/C由于在磷化过程中发生了柯肯达尔效应,形成了空心球结构,这也是析氢活性提升的重要原因。当铁钴前驱体比为2:1时,制备出的CoFe204/C经过磷化后得到的磷化物纳米颗粒的析氢活性最高。当总体负载量为0.4 mg cm-2时仅仅需要60 mV的过电势就可以获得10 mA cm-2的析氢电流密度,且Tafel斜率也仅为44 mV dec-1。实验结果表明,形成空心结构和引入额外金属是提升磷化物析氢活性的关键因素。

关键词：析氢反应过渡金属磷化物磷化镍相态磷化铁双金属磷化物中空结构

基于过渡金属磷化物的类芬顿体系构建及其去除PPCPs类污染物质的研究

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基于过渡金属磷化物的类芬顿体系构建及其去除PPCPs类污染物质的...

作者：李秀英广州大学

学位级别：硕士

随着工业发展和人们对生活质量要求的提高,药品和个人护理产品(PPCPs)被广泛应用于医药、工业、水产养殖、畜牧业等诸多领域。然而,随着PPCPs使用量的逐渐增加,大量残留的、过期的、处理或者未处理的PPCPs排放到地表水和地下水中。这些... 详细信息

随着工业发展和人们对生活质量要求的提高,药品和个人护理产品(PPCPs)被广泛应用于医药、工业、水产养殖、畜牧业等诸多领域。然而,随着PPCPs使用量的逐渐增加,大量残留的、过期的、处理或者未处理的PPCPs排放到地表水和地下水中。这些进入地表水和地下水的含PPCPs污水经过水循环再进入人体,将给人类健康带来严重的危害。因此,迫切需要开发针对性的污水处理技术以有效去除PPCPs污染物。芬顿反应作为一种典型的高级氧化技术,具有操作简便、高效、可原位生成大量具有高氧化电位的羟基自由基(OH)等优点,近年来被认为是一种很有前途的深度污水处理技术被广泛研究。然而,传统的芬顿反应需要严苛的反应条件,如p H接近于3、Fe难回收、HO利用效率低、同时伴随大量铁泥的产生等,限制了该技术在实际中的应用。针对上述问题,以固体催化剂代替Fe的非均相类芬顿工艺近年来受到越来越多的关注。如过渡金属磷化物因其价格低廉、种类繁多、环境友好以及可控性强等优点,可以作为一类适用性强的多相催化剂。此外,磷原子具有较高的电负性,可以吸引金属原子中的电子,成为带负电荷的中心并调整金属原子的表面电荷状态。因此,过渡金属磷化物中的金属原子和磷原子均可能成为催化活性中心,其丰富的活性位点使得过渡金属磷化物可以作为一类潜在的高效类芬顿催化剂应用于PPCPs类污水的去除当中。基于以上研究背景,本论文采用过渡金属磷化物作为类芬顿催化剂,以PPCPs为目标污染物,通过筛选过渡金属磷化物及其复合物,系统性研究了其技术参数的优化、PPCPs的降解效能、活性物种以及反应机制,为推动过渡金属磷化物作为类芬顿催化剂在PPCPs类污染物的去除中提供技术支撑。主要研究内容和结果如下:(1)合成出具有双活性位点的磷化钼(Mo P)作为催化剂,研究其在类芬顿体系中对污染物双氯芬酸(DCF)的去除效率以及降解机理。在本体系中,40分钟内DCF的降解常数为每分钟0.13,表明Mo P具有高效的催化能力。此外,该催化剂在实验中还表现出良好的适用性和稳定性,可以适用于较宽的p H值范围(4-8)、不同的离子介质溶液环境和实际废水条件。上述高效的类芬顿催化能力归因于金属位点Mo和富电子位点P的存在,有利于活化双氧水产生羟基自由基和超氧自由基,实现DCF的快速去除。该研究为开发新型类芬顿催化剂和优化类芬顿技术去除PPCPs类污染物提供了技术支撑。(2)在上述的研究基础上,利用过渡金属磷化物具备光催化特性,进一步合成具有光催化-类芬顿催化双作用功能的Fe P和Fe单原子氧化石墨烯(Fe-GO)的功能材料,研究其在可见光-类芬顿体系中对四环素(TC)污染物的去除效率和降解机理。在可见光照射下,Fe P/Fe-GO类芬顿体系对TC的降解效率分别是Fe P和Fe-GO单一组分的1.36和2.32倍。此外,该体系具备非常优异的稳定性,其去除有机污染物效率在循环次数达到100次后并无明显下降。该体系可以在较宽的p H承受范围(3-11)下均具备优异的催化活性。其高效的光生电荷分离效率和丰富的Fe单原子活性位点有助于良好的Fe/Fe循环,进而实现Fe P/Fe-GO在可见光-类芬顿体系具备优异的活性和稳定性能。最后,本研究针对TC的降解途径和中间产物的毒性也作出评估。本研究工作通过构筑双作用功能和丰富的单原子活性位点协同策略构建的高稳定类芬顿催化体系,为水环境中抗生素的高效去除提供理论指导和技术支撑。

关键词：药品和个人护理产品类芬顿反应过渡金属磷化物磷化钼磷化铁

过渡金属磷化物Co2P与Fe2P纳米颗粒水热合成及表征

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过渡金属磷化物Co2P与Fe2P纳米颗粒水热合成及表征

作者：黄河中国海洋大学

学位级别：硕士

石油经过加工处理,可获得丰富的石油产品，如燃料、溶剂、化工原料等等，被应用到国民经济的各行各业。其中,在降低重油催化裂解汽油的含硫量时，加氢精制是非常重要过程。为实现石油清洁化生产，开发和研制出具有高性能加氢脱硫的催化... 详细信息

石油经过加工处理,可获得丰富的石油产品，如燃料、溶剂、化工原料等等，被应用到国民经济的各行各业。其中,在降低重油催化裂解汽油的含硫量时，加氢精制是非常重要过程。为实现石油清洁化生产，开发和研制出具有高性能加氢脱硫的催化剂已成为研究热点。除了具有优良催化性能的过渡金属碳化物和氮化物，过渡金属磷化物被认为也具有相同的性能。本文完成了新型高效石油精炼催化剂CoP的水热合成和FeP的溶剂热合成，研究了制备过程中各工艺条件对产物的影响。利用XRD、TEM、EDS等手段对产物物相形貌及成分进行了表征分析。主要研究结果如下： (一)水热法制备CoP纳米颗粒采用水热法制备CoP纳米颗粒，粉体粒径在30nm左右。研究了制备过程中起始反应物摩尔比、反应温度、保温时间对产物的影响,实验结果表明： 1)反应原料的最佳配比是Co/P=1/10,在该条件下，获得相对纯净的结晶度较高的CoP纳米颗粒。 2) CoP的最低水热合成温度约为180oC，最佳合成温度为200oC。随温度的升高,结晶度提高，到220oC出现了明显杂质相。 3) CoP的理想反应时间为18h，反应10h后出现预期产物,但结晶度低，随着反应时间的延长，晶体生长完整,颗粒均匀且纯净。 (二)溶剂热法制备FeP纳米颗粒采用溶剂热法制备FeP纳米颗粒，粉体粒径在40nm左右。研究了制备过程中起始反应物摩尔比、反应温度、保温时间对产物的影响，实验结果表明： 1)反应原料的配比为Fe/P=1/3，获得的产物较为纯净，结晶度较高，Fe/P=1/2或1/5，无法得到纯净的预期产物。 2)制备纳米FeP的理想反应时间为10h，反应6h后有产物出现，但结晶度低，随着反应时间的延长，晶体进一步生长，超过10h晶体结构将被一定程度的破坏，结晶度降低。 3)制备纳米FeP的理想的水热合成温度约为200oC，从180oC开始随温度的升高，结晶度提高，到220oC出现了杂质相。

关键词：水热法溶剂热磷化铁磷化钴纳米颗粒

空心磷化物纳米颗粒的合成及其电催化性能研究

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空心磷化物纳米颗粒的合成及其电催化性能研究

作者：王瑒北京化工大学

学位级别：硕士

电解水制氢是未来清洁生产氢能的可能途径。过渡金属磷化物纳米材料在电解水中作为阴极氢气析出催化剂具有优异的催化活性,而空心结构的纳米材料有望进一步提升其催化活性。本论文围绕空心铁基磷化物纳米材料的合成、表征及其氢气析出... 详细信息

电解水制氢是未来清洁生产氢能的可能途径。过渡金属磷化物纳米材料在电解水中作为阴极氢气析出催化剂具有优异的催化活性,而空心结构的纳米材料有望进一步提升其催化活性。本论文围绕空心铁基磷化物纳米材料的合成、表征及其氢气析出电催化性能展开研究,具体内容如下:第一部分选用氧化铁纳米颗粒作为空心磷化铁纳米材料的前驱体。通过选择具有不同沸点的溶剂调控合成温度制备出了不同粒径大小且均一的氧化铁纳米颗粒,通过离子交换的方法制备空心磷化铁纳米材料。我们研究了磷化条件（即磷化温度与磷化升温速率）对空心磷化铁纳米材料形貌和相态的影响。经过电化学测试之后,发现所得空心磷化物纳米颗粒的活性与尺寸呈火山型关系,尺寸过小时空心结构难以利用,尺寸过大时材料比表面积减小,均不利于析氢反应的进行。平均粒径为9.1 nm,磷化温度为350℃,磷化升温速率为20℃/min的磷化升温速率制备出的空心磷化铁纳米材料催化剂拥有很高的HER活性,其驱动10 mA/cm2的析氢电流密度所需的过电势仅为125 mV。第二部分我们沿用之前的研究结果,以MFe204（M=Mn,Fe,Co,Cu）型反尖晶石型结构的纳米颗粒为中间体,仅以简单的两步就合成出了铁基空心双过渡金属磷化物纳米材料。我们发现铁基双金属磷化物的析氢活性与第二种金属的原子序数呈火山型关系。Co-Fe-P/C是其中HER活性最高的催化剂,当负载量为0.2 mg·cm-2时,其驱动10 mA/cm2的电流密度所需的过电势仅为97mV,其对应的Tafel斜率值为55 mV·dec-1。结果表明高电负性阳离子的掺入通过可能的电子调制效应稳定了表面FeP活性中心,进而使催化剂表现出高HER活性和高稳定性。

关键词：析氢反应空心结构磷化铁磷化条件双过渡金属磷化物

碳包覆过渡金属氧化物/磷化物的制备与储锂性能研究

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碳包覆过渡金属氧化物/磷化物的制备与储锂性能研究

作者：高铭湘潭大学

学位级别：硕士

锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应和长循环寿命等优点,已广泛应用于便携式电子器件和电动设备。目前商业化锂离子电池负极主要是石墨碳基材料,但由于其理论比容量较低,已经越来越难满足现实发展的需求,开发新型高效负极材料已成为... 详细信息

锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应和长循环寿命等优点,已广泛应用于便携式电子器件和电动设备。目前商业化锂离子电池负极主要是石墨碳基材料,但由于其理论比容量较低,已经越来越难满足现实发展的需求,开发新型高效负极材料已成为锂离子电池技术快速发展的关键。研究表明,过渡金属氧化物/磷化物的理论比容量比石墨负极高得多,其中氧化锰/磷化铁理论比容量分别高达756 mAh/g和926 mAh/g,且资源储量丰富,环境友好,受到科研工作者的广泛关注。然而这两种电极材料导电性差,且锂离子嵌入/脱嵌过程中会产生剧烈的体积变化,严重影响其实际的电化学性能。本论文主要针对氧化锰和磷化铁导电性差和充放电过程中体积变化率大的不足展开研究,通过高导电碳材料的包覆、微观形貌设计及其协同效应来提升其储锂性能。主要研究内容如下:(1)通过温和的共沉淀法,合成出粒径均匀且表面光滑的MnCO微球前驱体,然后经水热和碳化处理制备出一种类石榴型的多孔碳壳包覆MnO纳米颗粒微球的复合材料。该复合材料中MnO纳米颗粒之间存在空隙,可以有效缓冲体积膨胀,维持材料结构稳定,防止电极材料开裂和粉碎。其作为锂离子电池负极,表现出优异的储锂性能:在电流密度100 mA/g下,循环100圈后放电比容量为935 mAh/g,在2000 mA/g的大电流密度下,循环2000圈后放电比容量为527mAh/g。(2)采用过量金属离子诱导自组装和空间限制的奥氏熟化生长策略,制备出多孔三维石墨烯/MOF气凝胶。以3DG/PB为前驱体,次亚磷酸钠为磷源,低温磷化后获得3DG/FeP@C复合材料。通过辊压方式制备柔性自支撑电极,其中3DG提供全方位的三维导电网络骨架,避免磷化铁纳米颗粒团聚,有效缓解锂离子嵌入/脱嵌过程中的体积膨胀效应。此外,该柔性电极不需要集流体、粘结剂、导电添加剂等影响电池性能的物质。其直接作为锂离子电池负极,表现出优异的储锂性能:在电流密度100 mA/g下,循环100圈后放电比容量为736 mAh/g,在500 mA/g的大电流密度下,循环400圈后放电比容量为604 mAh/g。

关键词：锂离子电池负极碳包覆 MOF 三维石墨烯氧化锰磷化铁

过渡金属磷化物嵌入氮磷共掺杂多孔碳纳米片的高效氧还原电催化剂用于锌-空气电池

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过渡金属磷化物嵌入氮磷共掺杂多孔碳纳米片的高效氧还原电催化剂...

作者：褚廷琳南昌大学

学位级别：硕士

随着化石燃料的枯竭,人们对日益严重的环境问题愈加关注。在众多新型能能源存储与转化系统中,锌-空气电池(ZABs)具有能量密度高和绿色环保等优点,受到了广泛关注。其工作核心基于氧还原反应(ORR),这一反应具有动力学迟缓问题。为了提高... 详细信息

随着化石燃料的枯竭,人们对日益严重的环境问题愈加关注。在众多新型能能源存储与转化系统中,锌-空气电池(ZABs)具有能量密度高和绿色环保等优点,受到了广泛关注。其工作核心基于氧还原反应(ORR),这一反应具有动力学迟缓问题。为了提高电池的性能,需要加入催化剂来提高ORR反应速率。尽管铂基电催化剂具有出色的ORR催化活性,但由于其成本过高,而稳定性较差,极大的增加了电池的成本,阻碍了ZABs的商业化进程。因此,为了解决这一关键问题,迫切需要开发廉价、高效的非贵金属基ORR催化剂用于替代铂基催化剂。非贵金属基ORR催化剂种类繁多,其中,包覆过渡金属磷化物的氮磷共掺杂碳材料具有充足的发展潜力。这是由于氮磷共掺杂的碳骨架具有很多的表面缺陷,可以成为良好的ORR催化活性位点,内部包覆的过渡金属磷化物本身具有良好的导电性,有利于反应过程中的电子转移,进一步提高ORR反应动力学。而且,过渡金属磷化物与氮磷共掺杂碳骨架之间具有很强的相互作用,有利于电催化反应过程中保持催化剂的结构稳定。本论文基于以上论述,进行如下的具体研究内容:1、通过静电相互作用,使三聚氰胺、植酸和氧化石墨烯自组装形成前驱体化合物,利用其中的含磷官能团与金属离子的强相互作用,将Fe直接引入前驱体中。前驱体经高温热解处理后,原位生成包覆磷化铁纳米颗粒的氮磷共掺杂碳纳米片材料(2D-FeP@FeNC-900)。磷化铁纳米颗粒和氮磷共掺杂的碳纳米片框架之间存在协同效应,提高了ORR本征活性。以2D-FeP@FeNC-900为催化剂的液态可充电ZABs具有260 mW cm的超高峰值功率密度。2、以氧化石墨烯为基底,通过过硫酸铵(APS)引发2,6-二氨基吡啶和植酸的聚合反应,在氧化石墨烯上原位生成聚合物前驱体,利用其中的含磷官能团与金属离子的强相互作用,将Fe直接引入前驱体中。前驱体经高温热解、酸洗处理后,生成含有铁单原子(Fe-N)包覆的磷化铁纳米颗粒的氮磷共掺杂碳材料。含有Fe-N的氮磷共掺杂碳骨架与磷化铁纳米颗粒具有更优的协同效应,应这种材料具有更高的ORR催化活性。

关键词：氧还原反应磷化铁锌空气电池氮磷共掺杂单原子

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铁基磷化物的制备及其电化学析氢性能研究

铁基磷化物的制备及其电化学析氢性能研究

作者：封子佳青岛科技大学

学位级别：硕士

世界各地一直饱受过度依赖化石燃料带来的折磨,环境污染、经济危机和地区安全问题严峻,随着能源需求量大大增加而化石能源日渐枯竭,寻求一种清洁可再生能源替代化石燃料迫在眉睫。氢能是一种清洁能源,储量大无污染,但是传统的制取方法... 详细信息

世界各地一直饱受过度依赖化石燃料带来的折磨,环境污染、经济危机和地区安全问题严峻,随着能源需求量大大增加而化石能源日渐枯竭,寻求一种清洁可再生能源替代化石燃料迫在眉睫。氢能是一种清洁能源,储量大无污染,但是传统的制取方法复杂、成本高。电解水析氢是一种获取优质能源的简便快捷的方法,但是阴极过电位的存在使其能耗加大、成本提高,因此,开发催化活性高、成本低,能有效降低阴极过电位的电催化剂是电解水制氢的关键。过渡金属磷化物是一种优质的电解水阴极材料,其中磷化铁更是因为其原材料储量高、成本低,无毒,在碱性和酸性溶液中都具有良好的化学稳定性和催化活性而受到广泛关注。所以,基于电化学析氢和纳米材料技术的研究进展,本文将围绕磷化铁催化剂的制备方法,研究运用简单方便的方法得到用于电化学析氢的不同形貌特征的高性能磷化铁催化剂。本文主要研究内容如下:(1)以FeCl·6HO、乙二醇和乙二胺为原料,采用150℃溶剂热的方法,合成由纳米片亚单元组成的分层的铁的乙醇酸盐中空微球前驱体,调节乙二胺的加入量,获得不同形貌的催化剂,当乙二胺的量为3 mL时,得到中空磷化铁片层球(FeP-3),当乙二胺的量增加到8 mL时,变成厚片球。前驱体通过次磷酸钠低温磷化处理将铁的乙醇酸盐中空微球转化成FeP中空微球,从SEM分析来看形貌没有破损,表面片层也保持完整。在电化学测试极化曲线中,电流密度为10 mA cm时,具有中空结构并且表面为致密片层结构的磷化铁催化剂(FeP-3)的过电位达到144 mV,塔菲尔斜率为58 mV dec,循环稳定性良好,具有高效析氢催化活性。(2)以FeSO·7HO、甘油和去离子水为原料,采用120℃水热法,合成多毛刺的海胆状羟基氧化铁前驱体,为得到多毛刺、高比表面积的海胆微球,调节不同的甘油和去离子水的比例,当水:甘油为37:3时,获得标准海胆微球。羟基氧化铁在次磷酸钠热分解的PH中被磷化成磷化铁,得到FeP海胆微球。对样品进行电化学测试,从极化曲线和塔菲尔图中得到,电流密度为10 mA cm时,海胆微球的过电位为143 mV,塔菲尔斜率为60 mV dec,析氢性能良好。但当甘油的加入量再提高时,形貌改变,毛刺变短甚至消失,得到不规则光滑颗粒。(3)以Fe(NO)·9HO、甘油和异丙醇为原料,采用190℃溶剂热反应,制备得到甘油酸铁前驱体,通过改变加入去离子水的量,得到不同核壳结构的前驱体,其中,当加水量为1.3 m L时,获得的是完全中空的片层纳米球,当加水量再提高时,纳米球会破裂。采用与上述实验相同的磷化方式,将前驱体转化为FeP纳米球,形貌稳定。进行电化学析氢测试,在电化学极化曲线中,电流密度达到10 mA cm时,电极的过电位在134 mV左右,相应的塔菲尔斜率为64 mV decade。从CV中得到的双电层电容以及电化学活性比表面积也显示出中空片层纳米球的良好析氢催化性能。

关键词：电化学析氢磷化铁催化剂中空结构塔菲尔斜率

铁磷化物/碳复合体微生物燃料电池阴极的性能研究

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铁磷化物/碳复合体微生物燃料电池阴极的性能研究

作者：吕远黑龙江大学

学位级别：硕士

微生物燃料电池(microbial fuel cells,简称MFCs)作为一种将有机废水处理技术和微生物产电技术相结合的绿色能源体系,展现出良好的应用前景。MFCs技术可以在完成对有机废水处理的同时,实现将污染物中储存的化学能向电能的直接转化,进而... 详细信息

微生物燃料电池(microbial fuel cells,简称MFCs)作为一种将有机废水处理技术和微生物产电技术相结合的绿色能源体系,展现出良好的应用前景。MFCs技术可以在完成对有机废水处理的同时,实现将污染物中储存的化学能向电能的直接转化,进而产生电能。但是,由于MFCs中阴极催化材料(如商业Pt/C)存在成本价格较高以及催化性能较低(输出功率)等一系列问题,限制了MFCs的规模化应用。基于此,本论文主要致力于MFCs阴极催化材料的研究,优选出廉价的、稳定性良好的并且具有良好电催化性能的碳基复合催化材料,进而提高MFCs的产电性能。本论文以六水合三氯化铁作为铁源、磷酸氢二氨作为磷源、去皮的玉米秸秆以及三聚氰胺分别作为不同复合材料的碳源,先后制备出两种可用于空气阴极MFCs中的阴极催化复合材料。采用X-射线粉末衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)、比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安(LSV)、交流阻抗测试(EIS)、旋转圆盘电极(RDE)等物理、化学表征手段和电化学测试的分析方法,探究所制备复合材料的组成含量、产物晶像以及形貌等特征,并分析MFCs阴极催化材料内部发生的氧还原动力学过程。具体研究结果如下:(1)以(偏磷酸铁)/磷化铁/部分石墨化碳基复合材料为阴极,在最佳铁、磷添加比例(摩尔质量比1:1)和最佳焙烧温度(900℃)环境中,制备出Fe(PO)/FeP/PGC-900复合材料的最大输出功率密度达到1.162±0.022 W·m,COD去除率可以达92.13%,库伦效率(CE)可以达到23.02%,并表现出良好的稳定性,在运行1920 h后,最大功率密度仅下降4.56%。Fe(PO)/FeP/PGC-900复合材料存在大量的FeP纳米颗粒作为活性位点。此外,在Fe(PO)/FeP异质结结构和碳基质上的含氧官能团(亲水表面)之间存在的协同作用下,更有效地提高了阴极复合材料的催化活性。(2)以氮掺杂磷化二铁部分石墨化碳基复合材料为阴极,在最佳铁、磷、碳添加比例(摩尔质量比2:1:8)以及最佳焙烧温度(850℃)条件下,制备出的FeP/NPGC-850复合材料最大输出功率密度可达到1.050±0.012 W·m。存在较多的FeP纳米颗粒,为氧还原反应提供较多的活性位点,加强复合催化材料的催化性能。

关键词：磷化铁磷化二铁微生物燃料电池氧还原稳定性