二氧化錳為陰極催化劑的微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC），是一種利用微生物作為催化劑將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是微生物學(xué)與燃料電池技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在微生物的催化作用下，MFC陽(yáng)極室中有機(jī)物所包含的電子被提取出來(lái)，并通過(guò)外電路傳遞到陰極，與質(zhì)子及氧 反應(yīng)生成水，產(chǎn)生電流的同時(shí)有機(jī)物得以降解。提高M(jìn)FCs的電能輸出是目前研究的重點(diǎn)，其影響因素主要有：（1）產(chǎn)電微 生物種類(lèi)及電子媒介體;（2）電池結(jié)構(gòu);（3）隔膜的種類(lèi)與性能;（4）陽(yáng)極電子供體和電極材料;（5）陰極電子受體與電極材料。盡管利用空氣中的氧作為電子受體具有較大成本優(yōu)勢(shì)和實(shí)用價(jià)值，然而由于動(dòng)力學(xué)因素的影響，氧還原反應(yīng)（ORR）的陰極存在－0.3～－0.45 V的過(guò)電勢(shì)，因此ORR的特性可直接影響MFCs性能。

金屬鉑具有高電催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性，在酸性或堿性條件下均是最好的ORR電催化劑，然而Pt的昂貴限制了它的廣泛使用。開(kāi)發(fā)高效廉價(jià)的ORR催化劑是加速M(fèi)FC應(yīng)用的重要研究方向，有報(bào)道熱解酞菁鐵（pyr-FePc）、四甲基苯卟啉鈷（CoTTMP）等材料具有較好的催化性能，但制備工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性差。MnO2是一種來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的氧還原催化材料，并已應(yīng)用于金屬-空氣電池，尤其是鋅-空氣電池中。其催化機(jī)理也較明確。

本文將MnO2涂敷于惰性石墨紙基體上作為催化電極，利用循環(huán)伏安法（CV）考查MnO2在1 mol/L KOH溶液中催化氧還原反應(yīng)的行為，并將此催化電極作為雙室產(chǎn)氣腸桿菌MFC陰極，探討陰極液pH值對(duì)電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MnO2可作為一種高效廉價(jià)的MFCs陰極催化劑，且陰極液pH值的增大有利于電能的輸出，而目前對(duì)MFCs的研究多在中性或酸性磷酸緩沖液中進(jìn)行，多篇文獻(xiàn)報(bào)道MFC的輸出電壓隨pH值的增加而降低，因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)MFC在堿性陰極液條件下的研究為其應(yīng)用拓寬了空間。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1材料與儀器

質(zhì)子交換膜（Nafion117，美國(guó)Du Pont公司），使用前在 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的H2O2中煮沸1 h以除去表面有機(jī)物，然后 依次在80℃的去離子水、0.5 mol/L的硫酸、去離子水中各處 理1 h，最后置于去離子水中備用。石墨氈（幾何面積為4.5 cm×4.5 cm，真實(shí)表面積>0.69 m2）以銅導(dǎo)線(xiàn)接入外電路，連 接部分用環(huán)氧樹(shù)脂密封；石墨紙厚0.5 mm；MnO2、高純石墨 粉等試劑均為分析純。

16通道電壓數(shù)據(jù)采集器(AD8223，北京瑞博華控制技術(shù)有限公司)，電阻箱（1～99 999Ω），萬(wàn)用表（勝利9807 A）， 電化學(xué)工作站（CHI605C，上海辰華儀器有限公司），恒溫培養(yǎng)箱（HPG-280H，哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司）。