Page 29 - 《精细化工》2021年第9期
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第 9 期 秦 悦,等: 电极改性强化微生物燃料电池产电同步降解有机污染物研究进展 ·1743·
孔碳基或与导电载体复合以提升其导电性 [64] 。 的最大功率密度、COD 去除率及库伦效率(C E )分
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XUE 等 [65] 研究了以活性炭和负载量分别为 0.1、0.5 别为 2103.4 mW/m 、90.63%±0.7%和 30.60%(图
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和 1.0 mg/cm 分子筛咪唑骨架-8(ZIF-8)〔分别记 5b~d)。尽管 MOFs 复合导电材料可以提升其导电
为 ZIF (0.1)、ZIF (0.5)和 ZIF (1.0)〕作为空气阴极催 率,但导电材料的加入会阻挡 MOFs 固有的微孔,
化剂的 MFC 性能,ZIF-8 中吡啶氮的大量存在满足 影响其本身的催化活性。最近开发的一些导电
了制备高效 ORR 催化剂的前提条件,并在 ORR 中 MOFs 可直接应用于电催化反应,尤其是含有金属-
提供了 4 电子转移途径(图 5a),此外,ZIF-8 中碳 氮配位位点(M-N x )或金属-氧配位位点(M-O x )
的石墨化提高了电催化过程的导电性和耐腐蚀性。 单元的 2D 导电 MOFs 表现出显著的氧还原活性和
以 ZIF-8 为催化剂的 MFC 在进料期内可正常工作 稳定性,甚至可以与活性最高的非铂族金属电催化
110 h 以上,远长于 Pt/C 改性 MFC 的工作时间(约 剂相抗衡,使其有望成为解决微生物燃料电池阴极
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40 h),当 ZIF-8 负载量为 0.5 mg/cm 时,MFC 输出 ORR 反应动力学缓慢的新策略 [66-68] 。
图 5 ZIF-8 在 MFC 中的应用(a),不同负载量 ZIF-8 MFC 功率密度及 COD 去除率、库伦效率比较(b~d) [65, 69]
Fig. 5 Application of ZIF-8 in microbial fuel cell (a), comparison of power density, COD removal rate and coulombic
efficiency of MFC with different loading of ZIF-8 (b~d) [65, 69]
综上所述,碳基材料、导电聚合物及其复合物、 催化剂的发现有效提高了原子利用率,大大降低了
金属及其氧化物以及其他新型材料在电极改性强化 材料的成本,但在稳定性和粒子团聚方面还存在一
有机污染物降解同步产电方面均取得了一定的成 定的挑战。过渡金属氧化物作为可替代的非贵金属
果。综合考虑经济及功能性等因素,碳基修饰材料 ORR 催化剂,通过纳米尺寸构筑以及与导电聚合物
由于毒性较小、来源广泛、易于合成可作为比较理 复合等方式,可以一定程度上实现这些材料之间的
想的电极改性材料。但碳基材料由于活化损失高、 优势互补,在经济和效能上都具有一定优势。新型
亲水性较差等问题还需进一步优化。导电聚合物/复 材料的合成与利用为 MFC 产电及污染物降解性能
合物具有良好的导电性、机械柔韧性,可作为 MFC 的提高提供了新途径,如 Mxene 的多层结构、高比
优选的电极材料,如常用的聚苯胺和聚吡咯作为导 表面积、优异的导电性和亲水性为微生物的附着提
电涂层可延长电化学活性菌的寿命,提高胞外电子 供了有利的条件,快速形成的电活性生物膜缩短了
传递效率,但其持久性及稳定性上还需要进一步强 MFC 的启动时间。MOFs 作为电极修饰材料由于具
化。在空气阴极 ORR 催化方面,贵金属催化剂尽管 有大的比表面积,丰富的孔结构以及高活性催化位
催化活性高,但高昂的成本限制了其应用,单原子 点是贵金属催化剂很好的替代者。研究人员通过合