《生物電化學系統新型活性炭空氣陰極開發與套用研究》是依託清華大學，由張瀟源擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：生物電化學系統新型活性炭空氣陰極開發與套用研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：張瀟源
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水資源短缺、水污染嚴重是中國面臨的重大環境問題，生物電化學系統能夠在淨化污水的同時將有機物中的化學能直接轉化為電能，為未來污水處理提供了新思路，然而陰極性能與成本是生物電化學系統發展的關鍵制約因素。本項目以活性炭為催化劑開展陰極研究，通過對活性炭優選、改性以及陰極製作方法最佳化，開發廉價高效的空氣陰極，套用於組件式生物電化學系統。具體內容包括：解析氧氣在活性炭催化劑載體上的還原機理，識別影響活性炭催化性能的關鍵因素，對活性炭進行優選並提出改性強化方法；通過催化劑粘合劑、陰極擴散層材料的優選與陰極製作方法的最佳化，開發具有高產電性能的活性炭空氣陰極；開展活性炭空氣陰極與分隔材料的耦合研究，減小陰極污染，並建立組件式生物電化學系統，將污水中有機污染物定向轉化為電能，實現污水淨化和能源回收的目標。本項目旨在為活性炭空氣陰極生物電化學系統處理污水及同步產能提供理論依據和技術基礎。
結題摘要
生物電化學系統能夠在淨化污水的同時將有機物中的化學能直接轉化為電能，為未來污水處理提供了新思路，然而陰極性能與成本是生物電化學系統發展的關鍵制約因素，同時陰極催化劑在中性體系下催化氧還原反應機理尚不明確。為進一步提升生物電化學系統陰極性能、降低陰極成本、解析陰極反應過程，本項目開發了新型碳基催化劑，最佳化了傳統活性炭基催化劑，提出了新型空氣陰極製備方法，並進一步探究了以微生物燃料電池為代表的生物電化學系統污水淨化與電能回收的聯動機制。主要研究結果如下：(1)在新型碳基催化劑方面，以離子熱法和水熱法分別開發氮摻雜碳氣凝膠催化劑和氧摻雜石墨烯催化劑，氮摻雜碳氣凝膠催化劑在微生物燃料電池中將最大功率密度提升至2300±140 mW/m2，而氧摻雜的石墨烯催化劑過氧化氫產率得到了很大的提高；在改善催化性能的同時，探究N元素和O元素摻雜對氧還原反應的影響，為未來定向製備ORR催化劑提供了理論基礎。(2)在傳統碳基催化劑方面，以活性炭為基礎材料，在保持低成本的基礎上，通過熱處理及添加導電炭黑形成複合碳基催化劑，相較於傳統鉑碳電極產電性能提升了41%。進一步改善陰極製備方法，開發了PTFE混合炭黑的導電氣體擴散層製備新工藝，獲得了高傳氧效率、高承壓性能與高產電性能。在最佳化擴散層的基礎上，利用化學氣相沉積法進一步開發了無粘結劑氮摻雜石墨烯空氣陰極的製備工藝，使陰極內阻降低了80%同時產電性能提升了32%。(3)在污水處理效果方面，解析了產電過程與降解過程聯動機制，通過對微生物燃料電池電路調控可實現有機物的快速降解與同步高電流產電。本項目旨在為碳基空氣陰極生物電化學系統處理污水及同步產能提供理論依據和技術基礎。項目執行期間，在J. Mater. Chem. A，ChemSusChem，Bioresource Technol.，Environ. Sci.: Water Res. Technol.等知名期刊上發表SCI論文5篇，包含4篇封面論文和1篇ESI高被引論文，並獲得國家授權發明專利2項。
