過渡金屬摻雜的低Pt空氣陰極微生物燃料電池的研究

曹遠福，鄭凱凱

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

早在170多年前英國人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]。二十世紀五十年代,燃料電池的研究才有了實質性的進展。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能直接轉化為電能的裝置。它可以同時凈化污水和收集電能，因此，MFC引起了廣泛的關注，并成為21世紀初環(huán)境工程領域最受歡迎的研究領域之一。

1 實驗部分

1.1 Pt/Co催化劑的電化學測試

-0.2～1.0的掃描范圍內，掃速為100mV·s-1時，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，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，峰電流不斷增加，而峰電位逐漸負移。

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系，在混合催化劑電極上，峰電流與掃描速率之間呈線性關系，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為電子轉移數(shù)；α為物質傳遞系數(shù)；D為擴散系數(shù)；c為溶液中氧的濃度；v為掃描速率。對同一化學反應，c、n、D相同。混合催化劑的斜率增大，即代表物質傳遞的α項為斜率增量的主要因素，斷定混合催化劑促進了氧還原反應的電極表面的物質傳遞過程。

在-0.2～1.0的掃描范圍內，掃速為50mV·s-1時，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，而極限擴散電流分別為，12.38μA，17.56μA和50.03μA，表明這3種催化劑對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催化劑的電化學活性比表面積增加而使其對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，通過改變外阻的形式來繪制極化曲線。在電池的輸出電壓達到最高并穩(wěn)定的幾個小時內，從500Ω到11000Ω調節(jié)回路外阻，測量輸出電壓，計算電流，繪制電池的極化曲線（如圖1）。

圖2 功率密度與電流曲線圖

為了對不同系統(tǒng)的MFC產(chǎn)電功率進行比較，MFC的輸出功率計算一般要以該系統(tǒng)的某些參數(shù)進行標準化，計算其輸出功率的密度，以陰極的投影面積計算MFC的功率密度（PAn，W/m2）。

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

2 結語

（1）通過在同一掃描范圍對3:1的Pt/Co催化劑，進行掃速從20mV·s-1到200 mV·s-1的循環(huán)伏安掃描時，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，其內阻明顯減小，約為1800Ω。

（3）通過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，當電壓為88mV時，最大功率密度為588mW·m-2，此時的電流為0.027mA。