导电凝胶模板法制备高分散低载量铂/元素掺杂的氧还原催化材料及其在微生物燃料电池中的性能研究

Great attention has been devoted to exploring low-content platinum/carbon (L-Pt/C) air-cathode catalysts for microbial fuel cells. However, there are still many issues to be solved among the emerging preparation method for L-Pt/C, including complicated preparation process, time-consuming, high-cost and poor homogeneity and dispersion in carbon matrix. To solve these issues, a conductive gel-template strategy has been proposed for the fabrication of highly-dispersed and low-content Pt nanoparticle on heteroatom-doped catalyst in this research. Conductive gel is a promising precursor framework for preparing catalyst, since it has the three-dimensional structure and high specific surface area. Moreover, the content and size of Pt nanoparticle can be meanwhile regulated by varying the content of chloroplatinic acid. Besides, the transition metal ions can be immobilized in conductive gel by the coordination effect and electrostatic interaction, resulting in well element-doping. Therefore, highly-dispersed and low-content Pt/heteroatom-doped material can be facilely achieved with the assist of conductive gel-template. With the aim of obtaining highly-active, low-cost, durable and highly-dispersed L-Pt/C catalyst for oxygen reduction, this research is desire to fabricate highly-dispersed and low-content Pt/heteroatom-doped catalyst materials on the basis of conductive gel-template, and then to investigate their electrocatalytic activity towards oxygen reduction reaction as well as the power-generation performance in microbial fuel cells. This research would provide a theoretical basis and positive implication for improving power generation of the microbial fuel cells.

单室微生物燃料电池中阴极低载量铂碳催化材料备受关注，然而该材料的制备存在如下问题：制备工艺复杂、耗时、成本高，得到的铂纳米颗粒尺寸均一性及在碳材料中的分散性较差，影响催化性能。针对这一问题，本项目拟提出一种导电凝胶模板法制备低载量铂/元素掺杂催化材料。导电凝胶具有三维结构和高比表面积，可为制备的催化材料提供优良框架结构；通过控制氯铂酸的量可控制凝胶中铂颗粒的载量和尺寸；过渡金属离子可通过配位和静电等作用稳定地分散在凝胶中，实现元素掺杂。因此借助导电凝胶模板法，可以一步制备出高分散铂纳米颗粒/元素掺杂催化材料。本项目以获得高催化活性、低成本、高耐受性、高分散性、低载量铂碳氧还原催化材料为目标，拟开展基于新型导电凝胶为模板的高分散低载量铂纳米颗粒/元素掺杂催化材料的制备，并对其氧还原催化性能及其对微生物燃料电池产电性能的影响进行研究。本研究成果将为提高微生物燃料电池的产电性能提供理论依据。

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC），是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的技术。其中单室空气阴极MFC由于诸多优点受到研究者的青睐。但是单室MFC的阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction，ORR）过电势较高、反应过程缓慢影响了其应用。虽然，铂（Pt）基催化剂是常见的ORR催化剂，但其成本高、资源稀缺、易中毒等缺点限制了其在单室MFC上的实际应用。针对这些问题，本课题通过制备不同的凝胶体系，结合模板效应和元素掺杂等方法，合成一系列碳基ORR催化剂，以替代Pt基催化剂在MFC上的应用。取得的重要研究成果如下：.（1） Fe-明胶气凝胶来源催化剂.通过气凝胶模板法合成了低成本、高活性的ORR催化材料。.（2）蚕丝凝胶来源催化剂.以蚕茧为原材料，通过“盐诱导效应”制备蚕丝凝胶作为前驱体，进一步利用元素掺杂、高温热解等方法，构建了一系列金属、非金属元素掺杂的三维（3D）多孔碳基ORR催化剂。.（3）豆腐凝胶来源催化剂.以生物质黄豆为原料，利用豆腐凝胶的形成机理，开发了一种合成多孔碳材料的新型硬模板法。在此基础上，原位合成了一系列杂原子掺杂的多孔碳基ORR催化剂；并结合活性炭吸附特性，构建了金属元素掺杂的碳基ORR催化材料。.（4）其他催化剂.以ZIF-8为前驱体合成了非金属碳基ORR催化剂；以生物质白萝卜为原料，通过“模板效应”和“渗透压原理”引入金属元素，从而合成金属元素掺杂的碳材料作为ORR催化剂。.综上，本项目为制备成本低廉、催化高效、性能稳定的ORR催化剂开发了诸多方法，包括气凝胶模板法、盐诱导效应、二次碳化、硬模板法、原位元素掺杂等；构建的ORR催化剂均具有良好的电催化性能，应用于单室MFCs可产生与商业化Pt/C催化剂相媲美的产电性能，可替代Pt基催化剂在MFCs上的应用。本研究对MFCs的商业化应用提供了一定的理论指导和思路，对于其他ORR催化剂的设计、开发以及其他能源领域的应用提供了一定的借鉴意义。