一步碳化法制备三维大孔含氮石墨电极:提升微生物燃料电池性能的新材料

能源和环境是当今人类面临的两大生存问题。从有机废物中回收清洁能源能够在解决环境问题的同时“变废为宝”,是实现人类社会可持续发展的重要途径。微生物燃料电池能够利用生长在电极上的电活性微生物降解有机污染物的同时发电,一旦实现产业化将产生不可估量的社会、环境和经济效益。目前,微生物燃料电池的产电性能在很大程度上受限于电活性微生物的胞外电子传递过程。由于电子传递发生在微生物细胞和电极接触的界面上,因此电极材料在微观尺度上的结构与性质直接决定了产电微生物的附着量、传质过程和电子传递效率。相应地,发展性能优异的电极材料也成为该领域长期关注的一个重要方向。

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针对微生物燃料电池中电活性微生物对电极材料的特殊需求,哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室尤世界课题组和新加坡南洋理工大学材料学院陈晓东课题组应用商业化的三聚氰胺海绵作为前驱体,采用简单的一步碳化法制备具有三维大孔结构的含氮石墨电极,对它的特性进行了详细的阐述,并测试了其对模式产电菌Shewanella oneidensis MR-1的富集效果和电子传递效率。不同于目前报道的大部分电极,含氮石墨电极电极内部具有发达的三维大孔结构和表面积,能够显著提高生物膜在其表面的附着数量和密度。其次,电活性微生物个体的尺寸在2-5 μm之间,远小于电极的孔尺寸(20-30 μm),这充分保证了产电细菌在大面积附着生长的同时内部空间不会被生物堵塞,使底物和质子等参与反应的活性组分在孔内的传质完全不受限制。最后,之所以采用三聚氰胺海绵作为构筑电极的原材料,主要是因为三聚氰胺的含氮量高达66.7%,最大限度提高了高温碳化过程中氮掺杂的效率和总量,掺杂氮能够消除石墨化微晶结构上的氧官能团,提高微米级纤维丝的电子导电率和电容,进而促进电子传递的进行。能量密度泛函计算结果表明在所有掺杂的氮元素中,吡咯氮对电子传递贡献最大。在这些因素的综合作用下,在单室空气阴极微生物燃料电池中获得了750 mW m2的功率密度,这个结果高于绝大部分纯培养条件下报道的数值。

与传统的其它电极材料相比,含氮石墨电极电极具有独特的优势,具体体现在:第一,商用三聚氰胺海绵廉价易得,制备方法简单可靠,易于放大和应用;第二,从理论上证实了吡咯氮对EET的促进作用,因此可以通过提高吡咯氮的含量进一步提高微生物燃料电池的性能,这意味着NGC电极材料仍有很大的潜力和优化空间;第三,含氮石墨电极电极不仅适用于微生物燃料电池产电,而且适用于各种生物电化学体系,实现强化污染物降解、产氢、脱盐等,因此具有良好的普适性和推广意义。此项研究为构筑高效的生物电化学体系电极材料提供了新思路和新方法。这一工作的主要完成人是哈尔滨工业大学的博士研究生马明,相关论文发表在Advanced Energy Materials上(DOI: 10.1002/aenm.201601364)。