【摘 要】
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微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种非常有吸引力的生物电化学系统,能够在微生物的帮助下直接将有机废物中的化学能转化为电能。由于MFCs具有同时发电处理废水的潜力,人们对其进行了大量的研究。然而,相对较低的功率密度和较高的成本限制了其大规模应用。阴极氧还原反应的电催化作用以及阳极的动态活性是影响MFCs功率的关键因素,为解决这些问题,本论文开展了以下工作:(1)
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微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells,MFCs）是一种非常有吸引力的生物电化学系统,能够在微生物的帮助下直接将有机废物中的化学能转化为电能。由于MFCs具有同时发电处理废水的潜力,人们对其进行了大量的研究。然而,相对较低的功率密度和较高的成本限制了其大规模应用。阴极氧还原反应的电催化作用以及阳极的动态活性是影响MFCs功率的关键因素,为解决这些问题,本论文开展了以下工作:（1）通过熔盐法制备了含铁掺杂碳氮（Fe/C/Ns-900）材料作为ORR催化剂。通过多种技术对Fe/C/Ns-900进行了系统表征,表明Fe/C/Ns-900具有多孔结构,且比表面积较高。Fe/C/Ns-900作为ORR催化剂时在中性电解质中也表现出良好的催化活性,起始电位可以达到0.81 V（vs.RHE）,电流密度为5.8 mA cm-2,且稳定性能超过了Pt/C。因此以Fe/C/Ns-900作为阴极催化剂搭建MFC,其最大功率密度可以达到900±5mW m-2,优于Pt/C作为阴极催化剂的MFC。（2）以生物质为碳源制备电极材料用于MFC的阳极和阴极。将花生壳与熔盐一起碳化后得到C-s-800,其具有三维（3D）多孔结构、高导电性和良好的环保性能。在电化学测试中其起始电位达到0.82 V（vs.RHE）,电流密度达到了6.3 mA cm-2。C-s-800作为阴极催化剂搭建的MFC产生的功率密度为1560 mW m-2,约为Pt/C(1300 mW m-2)功率密度的1.2倍。由于C-s-800无毒害且生物相容性较好,也可以作为阳极修饰材料,其搭建的MFC最大功率密度达到(1740 mW m-2),约是碳布阳极的3.2倍。此外,C-s-800同时作为MFC的阳极和阴极时,其MFC的最大功率密度可达到904 mW m-2。
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