微生物燃料电池Fe-N掺杂炭黑阴极催化剂性能研究

谢仰恩¹，王丁玲¹，马兆昆¹，宋怀河¹，XU Pei²

1. 北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室材料电化学与技术北京重点实验室2. Department of Civil Engineering,New Mexico State University

摘 要：炭黑是一种廉价且具有高导电性的氧还原催化剂,可应用于微生物燃料电池（MFCs）的阴极。然而,纯炭黑的催化性能较差,不能满足实际应用需求。为了提高炭黑的催化性能,以氯化铁（FeCl₃）和三聚氰胺作为Fe源和N源按一定比例与炭黑混合共炭化,对炭黑进行改性处理。结果表明,当Fe-N与炭黑的质量比例为2.6∶1时,MFCs的输出功率密度达到最高值,为1395 mW/m²,比Pt/C催化剂（876 m W/m²）提高了59%。SEM观察到炭黑基体上形成了椭圆形或柱状晶体,XRD和XPS测试结果显示是在共炭化过程中生成的Fe3C晶体,引入了吡啶氮和石墨氮,在催化剂表面形成更多的活性位点,这是复合催化剂性能提升的关键因素。随着Fe-N比例的提高,复合催化剂的导电性和比表面积逐渐下降,从另一方面又限制了其性能的提升。综上所述,氯化铁、三聚氰胺和炭黑共炭化制备的复合催化剂是一种具有良好性价比的MFCs阴极催化剂,可在规模化应用中发挥更大作用。

关键词：微生物燃料电池;氧还原性能;炭黑;氯化铁;三聚氰胺;