微生物燃料电池Fe-N掺杂炭黑阴极催化剂性能研究

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 mW/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。