利用氮掺杂石墨烯气凝胶大幅提升微生物燃料电池产电功率

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三维氮掺杂石墨烯气凝胶(N-GA)的合成及其作为阳极的微生物燃料电池功率密度与传统碳布(carbon cloth)作为阳极材料的微生物燃料电池功率密度比较

微生物燃料电池(microbial fuel cells)是一种利用微生物将废水中的有机污染物降解并转化为电能的一种绿色能源装置,在污水处理和再生能源方面具有广阔的应用前景。然而微生物燃料电池较低的产电功率限制了与其相关的商业应用。因此,如何提升微生物燃料电池的产电功率成为该研究领域的热点之一。经研究表明,提高阳极侧产电菌的载量能够有效地提升其产电功率,但传统的阳极材料因受限于其有限的比表面积和较低的电极内部空间利用率而无法进一步提高产电菌载量。因而通过合成具有高比表面积和开放孔道结构的新型阳极材料来提高产电菌载量成为提升功率的突破口。

近日,重庆大学廖强、朱恂教授团队与美国加州大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)Yat Li(李軼)教授课题组合作在寻找新型阳极材料的研究方向上取得了重要进展。他们通过水热反应合成了一种氮掺杂的石墨烯气凝胶(nitrogen-doped graphene aerogel),并利用该材料大幅提升了微生物燃料电池产电功率。该三维气凝胶具备包含微孔、介孔和大孔的多级孔道结构以及较高的比表面积(236 m2/g)。由于大孔为微生物在电极内部生长提供了开放的通道,同时微/介孔增加了产电菌产生的电子载体和电子中介体的传输通道数量,从而极大地提高了电极空间利用率。同时,氮掺杂使得石墨烯气凝胶表面呈现正电,使得自身带负电的产电菌在静电作用下主动向电极表面富集,增加了产电菌的附着量。另外,该石墨烯气凝胶的高导电率也减小了电子从微生物传输到集流体的电阻,有利于电子的快速传输从而进一步提升功率密度。该微生物燃料电池在面积功率(1990.8±106.1 mW/m2)和体积功率(750±40 W/m3)等性能参数上均远高于其他相似尺寸的微生物燃料电池(25 mL阳极腔室体积)。相关工作发表在Advanced Science期刊(DOI: 10.1002/advs.201600097)并获得了美国国家自然科学基金、中国杰出青年科学基金、中国自然科学基金和重庆大学低品位能源利用教育部重点实验室等基金项目的资助。

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