過(guò)渡金屬摻雜的低Pt空氣陰極微生物燃料電池的研究

曹遠(yuǎn)福，鄭凱凱

（1.江西有色地質(zhì)勘查二隊(duì)，江西 贛州 341000；2.福建致尚生物質(zhì)材料發(fā)展有限公司，福建 龍巖 364012）

早在170多年前英國(guó)人W.R.Grove爵士就發(fā)現(xiàn)燃料電池原理并提出了燃料電池模型的最早雛形[1,2]。二十世紀(jì)五十年代,燃料電池的研究才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。微生物燃料電池是一種利用微生物作為生物催化劑將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它可以同時(shí)凈化污水和收集電能，因此，MFC引起了廣泛的關(guān)注，并成為21世紀(jì)初環(huán)境工程領(lǐng)域最受歡迎的研究領(lǐng)域之一。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Pt/Co催化劑的電化學(xué)測(cè)試

-0.2～1.0的掃描范圍內(nèi)，掃速為100mV·s-1時(shí)，不同Pt/Co比例的催化劑電極在氧氣飽和的0.5 mol/LH2SO4溶液中的線性掃描伏安曲線。結(jié)果表明，1:1的Pt/Co催化劑的氧還原峰電流最大，其催化效能最好。

-0.2～1.0的掃描范圍內(nèi)，比例為3:1的Pt/Co催化劑電極在氧氣飽和的0.5 mol/L H2SO4溶液中，不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線圖，隨著掃描速率由20mV·s-1增加到200mV·s-1時(shí)，峰電流不斷增加，而峰電位逐漸負(fù)移。

電極上氧還原循環(huán)伏安掃描峰電流ip和掃描速率之間的關(guān)系，在混合催化劑電極上，峰電流與掃描速率之間呈線性關(guān)系，線性方程為y=3.81426x+52.71148，r=0.99982，表明氧在電極上的電還原是受表面控制的，線性掃描峰電流遵守以下公式

式中，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)；α為物質(zhì)傳遞系數(shù)；D為擴(kuò)散系數(shù)；c為溶液中氧的濃度；v為掃描速率。對(duì)同一化學(xué)反應(yīng)，c、n、D相同。混合催化劑的斜率增大，即代表物質(zhì)傳遞的α項(xiàng)為斜率增量的主要因素，斷定混合催化劑促進(jìn)了氧還原反應(yīng)的電極表面的物質(zhì)傳遞過(guò)程。

在-0.2～1.0的掃描范圍內(nèi)，掃速為50mV·s-1時(shí)，不同Pt/Co比例的催化劑電極在氧氣飽和的0.5 mol/LH2SO4溶液中的循環(huán)伏安曲線。由圖2.4可見，在3:1Pt/Co,1:3Pt/Co和1:1Pt/Co催化劑電極上,氧還原的起始還原電位分別為0.42V，0.46V和0.61V，而極限擴(kuò)散電流分別為，12.38μA，17.56μA和50.03μA，表明這3種催化劑對(duì)氧還原的電催化活性大小順序依次為1:1Pt/Co＞1:3Pt/Co＞3:1Pt/Co。1:1Pt/Co催化劑的電化學(xué)活性比表面積增加而使其對(duì)氧還原的電催化活性增加。

1.2 極化曲線和功率密度曲線

圖1 極化曲線圖

采用穩(wěn)態(tài)放電法，通過(guò)改變外阻的形式來(lái)繪制極化曲線。在電池的輸出電壓達(dá)到最高并穩(wěn)定的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，從500Ω到11000Ω調(diào)節(jié)回路外阻，測(cè)量輸出電壓，計(jì)算電流，繪制電池的極化曲線（如圖1）。

圖2 功率密度與電流曲線圖

為了對(duì)不同系統(tǒng)的MFC產(chǎn)電功率進(jìn)行比較，MFC的輸出功率計(jì)算一般要以該系統(tǒng)的某些參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算其輸出功率的密度，以陰極的投影面積計(jì)算MFC的功率密度（PAn，W/m2）。

由圖1和圖2可得，當(dāng)電壓為88mV時(shí)，最大功率密度為0.588W·m-2，即588mW·m-2，此時(shí)的電流為0.027mA。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)在同一掃描范圍對(duì)3:1的Pt/Co催化劑，進(jìn)行掃速?gòu)?0mV·s-1到200 mV·s-1的循環(huán)伏安掃描時(shí)，可以得出掃描速率與電極上氧還原循環(huán)伏安掃描峰電流ip之間的線性關(guān)聯(lián)，而氧在電極上的電還原受到一定控制。

（2）單室MFC與雙室MFC相比，其內(nèi)阻明顯減小，約為1800Ω。

（3）通過(guò)極化曲線的繪制和功率密度曲線的繪制，我們可以從圖中直接得到，當(dāng)電壓為88mV時(shí)，最大功率密度為588mW·m-2，此時(shí)的電流為0.027mA。