过渡金属掺杂的低Pt空气阴极微生物燃料电池的研究

曹远福，郑凯凯

（1.江西有色地质勘查二队，江西 赣州 341000；2.福建致尚生物质材料发展有限公司，福建 龙岩 364012）

早在170多年前英国人W.R.Grove爵士就发现燃料电池原理并提出了燃料电池模型的最早雏形[1,2]。二十世纪五十年代,燃料电池的研究才有了实质性的进展。微生物燃料电池是一种利用微生物作为生物催化剂将化学能直接转化为电能的装置。它可以同时净化污水和收集电能，因此，MFC引起了广泛的关注，并成为21世纪初环境工程领域最受欢迎的研究领域之一。

1 实验部分

1.1 Pt/Co催化剂的电化学测试

-0.2～1.0的扫描范围内，扫速为100mV·s-1时，不同Pt/Co比例的催化剂电极在氧气饱和的0.5 mol/LH2SO4溶液中的线性扫描伏安曲线。结果表明，1:1的Pt/Co催化剂的氧还原峰电流最大，其催化效能最好。

-0.2～1.0的扫描范围内，比例为3:1的Pt/Co催化剂电极在氧气饱和的0.5 mol/L H2SO4溶液中，不同扫描速率下的循环伏安曲线图，随着扫描速率由20mV·s-1增加到200mV·s-1时，峰电流不断增加，而峰电位逐渐负移。

电极上氧还原循环伏安扫描峰电流ip和扫描速率之间的关系，在混合催化剂电极上，峰电流与扫描速率之间呈线性关系，线性方程为y=3.81426x+52.71148，r=0.99982，表明氧在电极上的电还原是受表面控制的，线性扫描峰电流遵守以下公式

式中，n为电子转移数；α为物质传递系数；D为扩散系数；c为溶液中氧的浓度；v为扫描速率。对同一化学反应，c、n、D相同。混合催化剂的斜率增大，即代表物质传递的α项为斜率增量的主要因素，断定混合催化剂促进了氧还原反应的电极表面的物质传递过程。

在-0.2～1.0的扫描范围内，扫速为50mV·s-1时，不同Pt/Co比例的催化剂电极在氧气饱和的0.5 mol/LH2SO4溶液中的循环伏安曲线。由图2.4可见，在3:1Pt/Co,1:3Pt/Co和1:1Pt/Co催化剂电极上,氧还原的起始还原电位分别为0.42V，0.46V和0.61V，而极限扩散电流分别为，12.38μA，17.56μA和50.03μA，表明这3种催化剂对氧还原的电催化活性大小顺序依次为1:1Pt/Co＞1:3Pt/Co＞3:1Pt/Co。1:1Pt/Co催化剂的电化学活性比表面积增加而使其对氧还原的电催化活性增加。

1.2 极化曲线和功率密度曲线

图1 极化曲线图

采用稳态放电法，通过改变外阻的形式来绘制极化曲线。在电池的输出电压达到最高并稳定的几个小时内，从500Ω到11000Ω调节回路外阻，测量输出电压，计算电流，绘制电池的极化曲线（如图1）。

图2 功率密度与电流曲线图

为了对不同系统的MFC产电功率进行比较，MFC的输出功率计算一般要以该系统的某些参数进行标准化，计算其输出功率的密度，以阴极的投影面积计算MFC的功率密度（PAn，W/m2）。

由图1和图2可得，当电压为88mV时，最大功率密度为0.588W·m-2，即588mW·m-2，此时的电流为0.027mA。

2 结语

（1）通过在同一扫描范围对3:1的Pt/Co催化剂，进行扫速从20mV·s-1到200 mV·s-1的循环伏安扫描时，可以得出扫描速率与电极上氧还原循环伏安扫描峰电流ip之间的线性关联，而氧在电极上的电还原受到一定控制。

（2）单室MFC与双室MFC相比，其内阻明显减小，约为1800Ω。

（3）通过极化曲线的绘制和功率密度曲线的绘制，我们可以从图中直接得到，当电压为88mV时，最大功率密度为588mW·m-2，此时的电流为0.027mA。