基于功能化多孔炭/石墨烯复合物的微生物燃料电池电极材料

This proposal, based on vast water sourc of lake, river in Jiangxi province, aims to develop novel synthetic strategy towards series of hierarchical structured porous-carbon/graphene nanocomposites based on the features and requirement of the electrode materials of microbial fuel cells (MFCs). On one hand, the physical and chemical of the porous-carbon/graphene could be adjusted through controlling the size, shape, composition, crystal structure, and could be further hybrid with different non-metallic element (e.g. N, S, P) and transition metal (Ti, Fe) to promote the electrical conductivity, advance the surface area and enhance the bio-compatibility, in this way enabling us to develop high-performance anode materials for MFCs. On the other hand, the nitrogen-enriched transition metal (e.g. Fe, Co, Mn etc.) catalyst are proposed to be in situ loaded in porous-carbon/graphene with the purpose of developing the precious-metal free catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). The electrochemical characterization will be systematically studied to investigate the pivotal factors that influence ORR (the N-doping, porous structure, transition metal incorporation), the objective is to develop high-active and cost-effective cathode catalysts in MFC systems. The proposed program is expected to result in optimized anode and cathode in MFCs system, which may move forward the fundamental research, and more importantly, drive the practical application of MFC from recovery during the process of wastewater treatment in Jiangxi province.

本项目针对江西省广泛的湖河水资源，依据微生物燃料电池阳极、阴极的特点，分别对电池阳、阴极材料进行了精心设计。以多孔炭/石墨烯复合材料的合成为出发点，结合微生物燃料电池阳极运行环境特点，通过非金属原子和过渡金属离子的引入优化多孔炭/石墨烯复合物的表面结构与性能，提高电极材料的导电性、比表面积及生物相容性，构建适合于微生物燃料电池的阳极材料，并研究不同结构电极材料对微生物燃料电池性能的影响。而阴极端则基于提高催化活性与降低成本等因素，将掺氮过渡金属化合物或者过渡金属聚酞菁等负载于多孔炭/石墨烯载体上，通过负载过程中条件参数的控制，研发出可取代铂基催化剂的高活性、价廉阴极材料。本研究项目有望获得优化的微生物燃料电池阳极与阴极系统，提高微生物燃料电池整体性能，推动微生物燃料电池应用于江西省污水资源的再生利用。

微生物燃料电池是利用产电微生物为阳极催化剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的理想装置，在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。电极材料作为微生物催化反应、电子传输以及电化学反应的重要场所，能显著影响微生物燃料电池的性能。因此，为提高微生物燃料电池的去污产电性能，设计并制备出适用于阴、阳极端高效率、高活性的电极材料，对提高微生物燃料电池的性能至关重要。本项目以生物质为原料，使用简便办法制备了多种掺氮碳基多孔复合材料，以上复合材料均具有大的比表面积，可作为高效廉价微生物燃料电池阳极修饰材料，例如我们使用简便的一步热解合成法制备了掺氮多孔碳材料，其具备高达0.7cm3/g的孔容以及大的比表面积（1009.0 m2/g），该氮掺杂多孔碳具有大的比表面积，可作为一种高效廉价微生物燃料电池阳极修饰材料，提高阳极微生物与电极之间的生物相容性和负载量，进而提高电池产电性能，并大大降低电池的成本；制备了多种过渡金属掺杂的碳基材料，均具备较高的还原电位以及电流密度，可作为廉价高效的氧还原材料应用于微生物燃料电池阴极，提高氧还原速率，进一步提高电池产电性能；我们以聚苯胺和硝酸铁为原料，并加入熔融盐，制备了一种铁掺杂的多孔碳氮材（Fe/C/Ns）的合成方法，其刻蚀作用在碳化过程中产生丰富的空隙，比表面积高达2154.47 m2/g ，孔容2.01 m3/g，氧还原性能超过铂碳1.9倍。此外，以花生壳为原料，制备的生物炭材料具有3D多孔形貌，良好的导电性，较高的电催化活性及较好的生物相容性。作为阴极催化剂，功率密度可达1560 mW m-2 ，是Pt/C (1300 mW m-2 ) 的1.2倍。作为阳极材料，功率密度可达1740 mW m-2，是空白碳布 (540 mW m-2 ) 的3.2倍，分别以其为阴、阳极组装微生物燃料电池，功率密度可达904 mW m-2，远高于Pt/C (640 mW m-2)。在微生物燃料电池电极材料制备的基础上，我们延伸了碳基材料作为多功能电化学催化剂、无酶葡萄糖传感器催化剂、析氢催化剂及二氧化碳还原催化的性能。