《石墨烯基納米多孔粒子複合材料的製備及其性能研究》是依託哈爾濱工業大學，由顏美擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：石墨烯基納米多孔粒子複合材料的製備及其性能研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：顏美
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微生物燃料電池MFCs是利用微生物將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，可以套用於污水處理行業，在廢水淨化的同時實現能量回收，具有操作條件溫和，清潔高效，可循環利用等優點。但目前，輸出功率低，製作成本高是制約其實際套用的瓶頸。因此，提高陰極對氧還原反應ORR的電化學活性和降低陰極催化劑的製備成本是MFCs的研究重點之一。本項目計畫製備石墨烯基納米多孔粒子複合材料，擬結合石墨烯大比表面積，高導電性和好的生物相容性等特點以及納米多孔材料表面活性位點密度高和選擇性高等的優點提高其對ORR的催化活性，同時利用金屬間和金屬與石墨烯間的協同效應，通過對金屬物種的選擇和金屬間比例的調節製備低鉑或非鉑的石墨烯基納米多孔粒子複合材料套用於微生物燃料電池，解決鉑價格昂貴且易中毒失效等問題。
結題摘要
微生物燃料電池MFC是一種能在處理污水的同時實現能量回收的新型能源技術，其中，空氣陰極MFC被認為是在污水處理領域最具前景的構型，因氧氣可以持續供給，成本低，且具有較高的氧化還原電位，因此是理想的電子受體。然而，沒有催化劑的條件下氧還原反應ORR速率緩慢導致空氣陰極MFC性能很差。Pt/C催化劑被認為是迄今為止催化ORR速率最快，且過電位最低的催化劑，但由於價格昂貴，且活性位點易被毒化而限制了它的套用，因此，開發高活性且價格低廉的ORR催化劑勢在必行。目前，研究人員開發了各種成本較低而活性較高且穩定性較好的催化劑，比如碳基材料、過渡金屬大環化合物、非貴金屬氧化物等來代替鉑催化劑。儘管如此，開發可以替代最好的鉑的更高活性和穩定性的催化劑仍具挑戰性。在各種非貴金屬催化劑中，非貴金屬/N/C材料由於其較高的ORR催化活性和穩定性有望代替鉑催化劑。金屬有機框架MOFs材料因具有結構規整，孔徑及金屬可調，比表面積高等優點而得到廣泛套用，本項目合成了多面體的鐵鋅雙金屬有機框架材料，並在不同溫度下碳化製備得到Fe/N/C材料，鋅沸點低易碳化除去，因此可在碳化過程中形成多孔結構有利於氧氣的擴散以及增加氧還原活性位點，同時，內部少量未碳化脫除掉的鋅有利於提高材料的導電性。同時，本項目還合成了鐵基單金屬MOFs，同樣高溫碳化製備了Fe/N/C材料作為對照。結果表明，鐵鋅雙金屬有機框架材料在不同碳化溫度下的產物，分別記為Fe-Zn-700，Fe-Zn-800，Fe-Zn-900，其比表面積分別為535.9 m2/g，544.8 m2/g，529.4 m2/g，均高於單金屬鐵基MOFs的碳化產物Fe-800（409.4 m2/g）。上述四種材料催化ORR均經過四電子過程，n為3.54-3.99，套用於空氣陰極微生物燃料電池，起始電位和限制電流密度均高於Pt/C，輸出電壓Fe-Zn-800明顯高於Pt/C，Fe-Zn-900與Pt/C相當，Fe-Zn-700略低，而Fe-800最差，只有300 mV左右。電池的最大輸出功率密度Fe-Zn-800為750 mW/m2，比 Pt/C（580 mW/m2）高29%，Fe-800（210 mW/m2）的3.6倍。上述結果證明，本項目合成的Fe-Zn-800可以代替Pt/C有望套用於實際的微生物燃料電池領域。
