鐵酸錳活性炭陰極催化劑的制備與對微生物燃料電池產電性能的影響

王 林,吳 可,王成業,李 燕

鐵酸錳活性炭陰極催化劑的制備與對微生物燃料電池產電性能的影響

王 林,吳 可,王成業,李 燕*

(吉林大學新能源與環境學院,吉林 長春 130012)

微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)陰極的氧化還原反應能力對MFC的產電性能起著至關重要的作用,因此,本研究制備了鐵酸錳/活性炭(MnFe2O4/AC)并對其進行材料學表征,研究其作為MFC空氣陰極催化劑時產電和污水處理效果.研究表明,MnFe2O4和AC物質的量比為1:3時MFC電功率密度最高,達302.7mW/m2.在峰值電壓附近維持時間長達200h,維持時間是傳統Pt/C催化劑MFC的4倍,庫倫效率達到17.45%.在催化劑重復利用實驗中發現,在相同的運行時間內,采用Pt/C催化劑的MFC電壓下降明顯,而采用MnFe2O4/AC催化劑的MFC電壓基本保持穩定,證明了MnFe2O4/AC催化劑良好的循環穩定性.污水處理效果方面,MnFe2O4和AC物質的量比為1:3時處理效果最好,COD去除率達74.66%.因此,MnFe2O4/AC催化劑制備簡單、價格低廉、電化學性能穩定,在提高MFC產電持久性方面具有實際意義.

微生物燃料電池；空氣陰極催化劑；鐵酸錳/活性炭；廢水處理

微生物燃料電池(MFC)是一種能夠利用微生物將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置[1].有機物在陽極被微生物分解并釋放出電子和質子,電子通過外電路傳遞到陰極并形成電流,質子則通過電池內的交換膜傳遞到陰極,而氧氣則在陰極得到電子后并與質子結合生成水,進而達到有效降解有機污染物的目的[2-3].

目前,MFC多采用空氣陰極,這主要是因為空氣中的氧氣廉價易得,氧氣的氧化還原反應電位較高[4-5].研究表明,MFCs的陰極催化劑氧化還原活性及氧氣在陰極內的傳遞效率是影響其產電性能的主要原因之一.因此,改善電極材料可有效提高MFC電化學性能和污染物的去除效率.目前空氣陰極催化劑多采用貴金屬材料,如金屬鉑Pt等[6],可以有效地降低反應所需的活化能.但貴金屬材料存在一些難以避免的缺點,如價格過高、易毒化失活、穩定性差等,因此研究人員開始考慮利用價格相對低廉的過渡金屬(如:Fe、Co、Ni等)來替代貴金屬Pt作為MFCs陰極催化劑的主要組成部分,如Co2O3、Fe2O3、MnO2等,但這些材料主要是單一的金屬氧化物,存在導電性、循環穩定性較差、高電阻等問題[7],導致電子轉移的效率較低.Dessie等[8]的研究表明,通過兩種或多種過渡金屬組合而形成的混合過渡金屬氧化物具有更出色的電催化性能和導電性.其中鐵酸錳(MnFe2O4)因其多官能度、更好的催化活性和穩定性而受到廣泛關注.Munjal等[9]制備了鐵鈷氧體和石墨復合材料電極,其最大功率密度為1390mW/m2,電位為0.85V, 表明其具有高功率密度和優異的循環穩定性,電化學性能出色.Xue等[10]設計了MnFe2O4和碳氈的復合材料作為電極,其電容為1.89mF/cm2,最大功率密度為828mW/m2,導電性能好,穩定性出色,表現出良好的電化學性質.因此,使用MnFe2O4納米材料代替Pt可能是提高MFC性能、降低成本的一種很有前景的方法.

基于這些報道研究,本研究制備了MnFe2O4納米材料,并將其與活性炭(activated carbon, AC)按照不同比例混合,作為MFC空氣陰極催化劑,研究MFC產電性能.AC是常用的MFC陰極催化劑之一,具有導電性,可以減小電荷轉移時的阻抗,而且AC豐富的孔隙構造使其具有較大的比表面積,可以增加參加氧化還原反應的活性位點的數目[11-13].研究內容主要包括:(1)對制備的MnFe2O4/AC催化劑進行材料學表征,研究其內部結構,材料合成是否成功.(2)進行循環伏安法測試,研究催化劑電化學性能.(3)比較不同比例MnFe2O4/AC催化劑條件下, MFC產電性能和水處理效果,確定最優比例,并與傳統Pt/C催化劑進行對比.

1 材料與方法

1.1 實驗試劑和設備

活性炭購自福州益環碳素業有限公司,Pt/C (20%)購自上海麥克林生化科技有限公司,碳能碳布購自蘇州晟爾諾科技有限公司,實驗使用的電化學工作站購自上海辰華儀器有限公司.

1.2 MnFe2O4/AC催化劑的制備

首先,用量筒量取55mL乙二醇倒入100mL藍蓋瓶中.稱取一定質量的活性炭加入上述乙二醇中,超聲一段時間直至完全溶解.按物質的量比1:2稱取一定質量的MnCl2和FeCl3·6H2O溶解于上述乙二醇中.分別加入3.6g醋酸鈉(NaAc)和1g聚乙二醇(PEG)(重量比3.6:1).將溶液劇烈攪拌并超聲一段時間直至完全溶解.之后按物質的量比1:2稱取一定質量的MnCl2和FeCl3·6H2O溶解于上述溶液中.將溶液倒入反應釜中,180℃下反應12h.反應后的溶液倒入50mL離心管中,分別用無水乙醇和去離子水洗滌數次,直至溶液澄清.最后將洗滌后得到的沉淀物60℃下完全干燥24h,即得到不同比例的MnFe2O4與活性炭混合材料.本實驗分別制備了MnFe2O4/AC物質的量比為1:3(1MnFe2O4-3AC)、1:1(1MnFe2O4- 1AC)、 3:1(3MnFe2O4-1AC)、6:1(6MnFe2O4-1AC)、10:1(10MnFe2O4-1AC)的催化劑進行比較(圖1).

圖1 催化劑與空氣陰極的制備流程

1.3 MFC空氣陰極的制備

本次試驗中采用涂刷法制備空氣陰極,以碳能碳布作為集流體,以Nafion作為粘結劑[14].首先用格尺和剪刀從碳能碳布上剪取5×5cm的方形電極,將制得的材料研磨粉碎,稱取300mg放入10mL離心管中.加入124.5μL去離子水,加入5～7顆玻璃珠,在旋渦器上振蕩若干秒.之后用刷子將上述溶液緩慢均勻的涂抹至碳布粗糙面,注意不能太快使溶液滲透.涂抹完全后,室溫下干燥24h[15].

為了進行MFC產電效果的對比,同時使用Pt/C作陰極,MnFe2O4和AC單獨作催化劑,MnFe2O4使用溶劑熱法合成,具體步驟為5mmol FeCl3·6H2O和2.5mmol MnCl2·4H2O溶于80mL 乙二醇中,在磁力攪拌器下加入0.05mol NaAc,將混合溶液轉入100mL聚四氟乙烯內襯反應釜中,200℃反應12h后,自然冷卻至室溫,產物用去離子水和乙醇洗滌數次,60℃干燥6h.

1.4 MFC的構建

本次試驗中采用的微生物燃料電池的反應器是立方體構型(圖2).主體為長、寬、高均為4cm,總體積為64mL的腔室,陰極與陽極擋板通過四個螺絲、橡膠墊等將其組裝固定,組裝時將陰極碳布的光滑面暴露于空氣中,涂刷催化劑的催化層至于反應器腔室內部,陰極有效面積為16cm2.陽極采用石墨碳刷.

圖2 組裝成的MFC

1.5 MFC的接種與啟動

實驗中MFC所處理的廢水溶液是復配所制.廢水中的原始菌種來自于長春市第一污水處理廠. MFC中需處理的廢水還包括pH值為7.0的50mmol/L PBS溶液,其具體組成為:10.92g/L Na2HPO4·12H2O、3.04g/L NaH2PO4·2H2O、0.31g/L NH4Cl、0.13g/L KCl以及微量元素溶液和維生素溶液.其中微量元素和維生素溶液加入量分別為15mL/L和7.5mL/L,PBS溶液為417.5mL/L.加入NaAc的濃度為1500mg/L.模擬廢水初始COD為1158mg/L.反應器采用間歇方式運行,觀察MFC輸出電壓,待電池電壓降至50mV以下,此時說明營養基質已基本消耗殆盡,并取出水樣,用直徑為0.22μm濾頭過濾,并測其COD.電池在運行過程中連接有外電路的數據監測儀,外電路電阻均為1000 Ω,數據監測儀每隔30min對電池的輸出電壓進行監測并記錄,當觀察到電池電壓連續2～3個周期達到基本相同的最高電壓時,可認為電池啟動成功,并開始正式運行.

1.6 材料表征

實驗中利用傅里葉紅外光譜儀分析(Fourier Transform Infrared Spectrometer, FT-IR)催化劑的分子結構和化學鍵,實驗采用美國尼高力公司iS10FT- IR spectrometer對催化劑進行紅外測試,波數范圍是400～4000m-1,光譜儀分辨率4m-1,信躁比是50000:1,掃描64次.利用X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)分析雜原子摻雜情況.利用透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)和高分辨透射電子顯微鏡(High Resolution Transmission Electron Microscope, HRTEM)觀察催化劑的微觀形貌和結構.利用X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)分析材料的晶體結構.

1.7 電化學分析

在MFC換水后電壓升至最高并達到穩定時,進行循環伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)測試.測試是在電化學工作站(上海辰華有限公司,CHI600E)上完成的,實驗采用三電極體系,分別以1MnFe2O4-1AC、1MnFe2O4-3AC、3MnFe2O4-1AC、6MnFe2O4-1AC、10MnFe2O4-1AC為催化劑的陰極為工作電極,對電極為鉑絲電極,參比電極為飽和Ag/AgCl電極.掃描電壓范圍為-0.8V～+0.8V,掃描速率為0.01V/s.

庫倫效率(Coulombic efficiency, CE)表示陽極中有機物產生電子的有效利用率,是試劑電荷轉移量和理論總電荷量的比值,CE按下式計算:

式中:為氧氣的分子量;為MFC運行單個周期所經歷的時間;為單位物質的量氧氣被還原時到的電子數;COD0為陽極底物初始COD值;COD為運行單個周期后陽極底物的COD值;為陽極底物的體積;為法拉第常數(96485C/mol);為電流.

2 結果與討論

2.1 MnFe2O4/AC催化劑材料表征

2.1.1 透射電顯微鏡(TEM) 圖3(a)是在分辨率分別在500nm、200nm和100nm下觀察到的AC材料的表面結構,由圖可見AC呈現出顏色深淺不一的薄片狀.

圖3(b)是在分辨率分別為200nm、100nm和5nm下觀察到的MnFe2O4材料的表面結構,在200nm和100nm下觀察到MnFe2O4呈單分散球形顆粒,粒徑在222.2nm～277.8nm,在此顯微鏡照片中,深色的中心與褪色邊緣之間的對比表明了這些球體的空心特征,觀察到的小球較少;利用高分辨透射電鏡(HRTEM)在5nm下觀察到的則為MnFe2O4晶格,利用Digital Micrograph得出其晶格條紋間距約為1.258nm.

圖3(c)分別是500nm下1MnFe2O4-3AC的TEM圖和5nm下的HRTEM圖,在500nm下可以清楚的看見片狀AC的表面附著有很多小球顆粒,表明MnFe2O4成功負載到AC表面,MnFe2O4顆粒以暗球的形式出現并均勻地分布在整個AC薄片上. 1MnFe2O4-3AC納米復合材料上的MnFe2O4納米顆粒的平均直徑為223.7nm.而在5nm下觀察到的1MnFe2O4-3AC晶格間距約為0.898nm,較之MnFe2O4晶格間距有所減小,表明AC可能會使MnFe2O4晶格更加緊密.

2.1.2 X射線衍射(XRD) 從圖4中可以明顯看出，MFO在2值為26.14°、35.42°、56.93°和62.54°處出現衍射峰,峰值分別為242、1077、381和534,這表明了MFO的反尖晶石鐵氧體的立方相晶面,衍射峰較寬,但未顯示不純相的存在,表明了合成的MFO的納米晶體性質.而觀察AC的XRD圖譜發現其在2值為21.13°和42.99°處出現峰值,其中21.13°處峰值遠大于42.99°處,峰強烈且尖銳,分別對應于AC的(002)(晶格指數)平面和碳的hcp(六方密堆積)結構的(100)平面.在1MnFe2O4-3AC納米復合材料中,在類似的2值處也出現了衍射峰,但峰強度明顯變寬變弱,表明由于將MnFe2O4納米顆粒摻入AC薄片中,減少并防止AC片重新堆疊.25.94°、35.47°、57.18°和62.64°的2值附近的其他衍射峰則對應于MnFe2O4立方相的形成.這些均表明1MnFe2O4-3AC納米復合材料的成功合成.

圖4 不同催化劑材料的XRD圖譜

2.1.3 FT-IR紅外光譜 由圖5可以看出，AC、MnFe2O4及1MnFe2O4-3AC材料在3400cm-1左右均出現一較寬的吸收峰,該峰歸屬于材料表面-OH和化學吸附水-OH的伸縮振動,MnFe2O4的吸收強度最大,經AC修飾后吸收強度明顯降低,可能與制備催化劑時所提供的高溫環境有關.AC和1MnFe2O4- 3AC材料在1635cm-1又出現峰值,該峰歸屬于C–C的收縮振動吸收,MnFe2O4的吸收強度最大,可能是在合成MnFe2O4晶體時使用的醇類物質所產生的.1MnFe2O4-3AC 材料所表現的峰吸收值較小也表現出AC已經成功附載到MFO上.MFO在1150cm-1附近出現吸收峰,該峰屬于C–O官能團振動,該峰的出現可能與制備催化劑實驗時經過熱處理,引入含氧官能團有關.

圖5 不同催化劑材料的紅外光譜圖

2.1.4 X射線光電子能譜(XPS) 由圖6可見,AC的元素組成主要為C和O,其中C元素為主要成分;而1MnFe2O4-3AC的XPS全譜中存在Mn2p、Fe2p、O1s和C1s峰,這表明MnFe2O4納米顆粒形成并沉積在AC的表面.從圖6(a)(b)中可以看出，1MnFe2O4- 3AC的Mn2p譜圖在結合能為641.56eV和653.25eV這是因為MnFe2O4中的Mn2+的Mn 2p3/2和Mn 2p1/2;而1MnFe2O4-3AC的Fe2p譜圖在711.6eV和726eV處出現峰值,這處出現峰值,可歸因于MnFe2O4中Fe3+的Fe 2p3/2和Fe 2p1/2[16].且與純MnFe2O4相比,1MnFe2O4-3AC的Mn和Fe含量要低得多.

而從圖6(c)(d)中則可看出1MnFe2O4-3AC和AC的C1s高分辨譜圖中均在284.55eV和289.3eV處出現峰值,這是因為sp2雜化碳和-COO官能團的存在;1MnFe2O4-3AC的O1s的高分辨圖在結合能為530.6eV和532.55eV處出現峰值,而AC的O1s高分辨XPS圖僅在532.85eV處出現峰值,說明從AC到1MnFe2O4-3AC,含氧官能團的數量有所增加.

圖6 不同催化劑材料的高分辨XPS圖

2.1.5 循環伏安測試 如圖7a所示,1MnFe2O4- 3AC所圍成的面積最大,說明其所通過的電荷量最大,其次為1MnFe2O4-1AC,10MnFe2O4-1AC所圍成的面積最小,說明AC含量越高可以增加材料的電子轉移能力.10MnFe2O4-1AC的曲線最為平緩, 1MnFe2O4-3AC的曲線最陡,說明不同比例材料的氧化還原活性差距較大.如圖7b所示,可以看出AC的CV曲線圍成的面積最大,其次為1MnFe2O4-3AC和Pt/C,而MnFe2O4的CV曲線面積最小,說明其通過的電荷量最少.MFO的曲線最為平緩,表示其表面基本沒有發生氧化還原反應,而AC、1MnFe2O4-3AC的曲線較陡,具有更高的氧化還原反應活性.AC的微晶結構、較大的比表面積可以使得催化劑在MnFe2O4結構中暴露更多的活性位點;另一方面, MnFe2O4納米顆?？招那蚬潭ㄔ贏C表面,提供了豐富的法拉第反應,并阻止AC薄片的重新堆積,進而提高了電容值[17].

2.2 MFC產電性能研究

2.2.1 不同MnFe2O4和AC比例下MFC電壓變化 如圖8(a)所示,不同MnFe2O4和AC比例下,反應啟動后MFC電壓會迅速上升達到較高值,維持一定時間后突然下降.可以看出在1000Ω的外阻下MnFe2O4和AC的比例為1:3時(1MnFe2O4-3AC)所產生的電壓最高,達到384.88mV,持續時間最長,可以在274.48～325.84mV維持200h左右,而其他比例下的最高電壓和維持時間都明顯小于此比例.說明AC表面所存在的大量孔洞可能強化了催化層內反應物的傳遞和產物的排除,減少了傳質阻力,使得電壓升高.

為了進一步比較1MnFe2O4-3AC與傳統Pt催化劑對產電效果的影響,在相同條件下分別采用1MnFe2O4-3AC、Pt、AC、MnFe2O4作為陰極催化劑運行MFC(圖9(b)).含Pt的MFC最高電壓達到454.59mV,但每個周期維持時間很短,僅為48h,是1MnFe2O4-3AC MFC持續時間的20%.Pt 運行3個周期后電壓迅速降低,與最高電壓相比下降了21.98%,而1MnFe2O4-3AC MFC在兩個周期內電壓變化幅度很小,說明1MnFe2O4-3AC MFC運行穩定,也證明了1MnFe2O4-3AC催化劑優異的循環穩定性.石亞村[18]在Pt/C陰極催化劑上負載二氧化鈰以提高其性能,改性后輸出的最高電壓為432mV,維持時間80h,是1MnFe2O4-3AC MFC持續時間的40%,而Pt/C MFC維持時間為50h左右,與本文相似.在運行五個周期后,Pt/C的輸出電壓比最大值下降了20 %,負載了二氧化鈰催化劑的下降了8.6 %,產電穩定效果均不如本研究的1MnFe2O4-3AC MFC.AC的最高電壓只有241.57mV,且每個周期的持續時間僅為80h左右,均遠低于1MnFe2O4-3AC.在運行兩個周期之后,AC所產生的電壓開始大幅下降,可見穩定性低, 電化學性能一般.MFO的最高電壓為145.20mV,是1MnFe2O4-3AC的37%,且持續時間很短,僅為52.5h,與Pt相當,說明其電阻較高,電子轉移的阻力較大,導電性一般,循環穩定性差,催化位點較少,電化學性能不理想.謝等[19]使用MnO2/rGO修飾陰極構建MFC,最大穩定電壓為322mV,姚[20]等通過使用錳礦改性電極(Mn-CF電極)和磁性四氧化三鐵改性電極(Fe-CF電極)分別作為陰極運行MFC,在外阻為1000 Ω時,峰值電壓僅為200mV、125mV,且僅能維持在高位50h、33h左右,均遠低于本研究中1MnFe2O4-3AC為陰極催化劑的MFC產電效果.

2.2.2 MFC極化曲線與功率密度曲線 根據極化曲線和功率密度曲線量化MFC系統的產電效果,結果如圖9(a)所示.可以看出在不同比例的MnFe2O4/AC催化劑條件下,MFC功率密度大致隨催化劑中AC含量增加而增加,MnFe2O4/AC比例為1:3 (1MnFe2O4-3AC)條件下 MFC功率密度最大,達到302.7mW/m2,最高電流密度為196.88mA/m2,產生的開路電壓最高(455mV).這說明AC的大量存在,增加了陰極導電性和比表面積,減小了電荷轉移時的阻抗,活性炭較大的比表面積增加了參加氧化還原反應的活性位點.并且溶液中均未檢測到鐵、錳離子,說明鐵酸錳起到催化還原氧氣作用,前人研究也證明鐵、錳具有催化作用,侯彬[21]通過向MFC中加入鐵錳混合液增大了電壓和功率密度輸出,原因分析為鐵錳離子在氧氣接受陰極電子還原的過程中起到電子介體的作用,加速了電子傳遞效率,提高了氧氣的還原速率,促進了MFC的產電性能,提高輸出的電壓和功率.

圖9(b)中,使用Pt/C作為電池陰極催化劑時,電池的開路電壓達到 518.7mV,最高功率密度達到393.4mW/m2,比1MnFe2O4-3AC高23.05%,最高電流密度為223.33mA/m2,而單獨采用MFO作為催化劑時功率密度最低.Singh[22]使用α-MnO2納米棒與活性炭混合,輸出的最大功率僅為61mW/m2.Chang等[23]使用Pt-Co做陰極所產生的開路電壓為最大為480mV,最大電流密度為100mA/m2,所產生的最大功率密度為127.2mW/m2.Kodali等[24]使用氨基安替比林作為有機前體合成Fe-Mn-AAPyr做催化劑,其最大功率密度僅為221.82mW/m2,維持時間為84h,低于本研究中1MnFe2O4-3AC,說明1MnFe2O4-3AC催化劑制備簡單且具有較強的氧化還原反應催化性能,作為陰極催化劑容易增加電化學活性,使得電子可以更快速地在陰極上發生反應.

2.2.3 庫倫效率 由表1可以看出,1MnFe2O4-3AC的庫倫效率最高,達到17.45%,比采用Pt/C時高11.6倍,可見1MnFe2O4-3AC催化劑增強了空氣陰極氧化還原反應的活性,MFC產電持久性顯著提高,這與(圖8b)提到的1MnFe2O4-3AC催化劑MFC每個運行周期時間長達200h左右,是Pt/C催化劑MFC四倍的結論相呼應.王[25]使用MnO2/GNS作為MFC陰極催化劑,庫倫效率僅為15.4%,低于本研究中1MnFe2O4-3AC.

2.3 MFC的廢水處理效果

2.3.1 COD處理效果 由表1可以看出,污水初始COD為1158mg/L時,1MnFe2O4-3AC MFC去除率最高,達到了74.66%,略高于Pt/C MFC處理后的污水COD去除率73.14 %;而AC MFC去除率最低,僅為42.18%.由于在制備的催化劑中1MnFe2O4-3AC催化性能最佳,能夠形成最大的陰陽極電勢差,電子的轉移更加順暢,對COD的處理效果好.Chang等[23]用Pt-Fe作為陰極去除生活污水,COD去除率僅為55.7%.郭加[26]使用以活性炭為催化劑的輥壓碳鋼網作為陰極,處理生活污水時COD去除率僅為66.92%.

2.3.2 pH值的變化 污水初始pH值為7.04,在反應一個周期后MFC系統中pH如下表1.在不同比例的MnFe2O4/Ac陰極催化劑條件下,MFC反應完pH均有所上升,但上升幅度不明顯(均小于8),說明系統處理效果穩定.而采用Pt/C催化劑時MFC pH上升最多,達到8.25,說明陰極反應速度遠高于陽極有機物氧化分解產生氫離子的速度(反應式(1)),產生的氫離子迅速被陰極消耗,導致系統pH上升明顯(反應式(2)、(3)),這與前面Pt催化劑條件下MFC產電周期短、功率密度高相符合.

COOH-- 2e-à CO2+ H+(1)

4H++ O2+ 4e-à 2H2O (2)

2H2O + O2+ 4e-à 4OH-(3)

表1 不同陰極催化劑MFCs的庫倫效率、COD去除率與pH的變化

3 結語

本研究制備了MnFe2O4/AC復合材料,探究了其作為MFC的陰極催化劑的最佳比例、電化學性能和污水處理效果.研究表明,MnFe2O4/AC復合材料的最佳比例為1:3,最高電功率密度為302.7mW/ m2,最高電流密度為196.88mA/m2,且在峰值電壓附近維持時長達200h,是傳統Pt/C的四倍.污水COD去除率達到74.66%.因此,本研究有望促進MnFe2O4/ AC復合材料的應用,在增強MFC穩定性方面提供新思路.

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Preparation of manganese ferrite activated carbon cathode catalyst and its effect on the electricity generation performance of microbial fuel cells.

WANG Lin, WU Ke, WANG Cheng-ye, LI Yan*

(College of New Energy and Environment, Jilin University, Changchun 130012, China)., 2022,42(6)：2638～2646

The oxidation reduction reaction capability of the microbial fuel cell (microbial fuel cell, MFC) cathode plays a vital role in power generation of MFC. In this study, manganese ferrite/activated carbon (MnFe2O4/AC) was prepared and characterized by material science, and it was used as the cathode catalyst of MFC to explore its effects on electricity generation and sewage treatment of MFC. Results demonstrated that when the molarratio of MnFe2O4to AC was 1:3, the power density of MFC was the highest, reaching 302.7mW/m2. The maintenance time near the peak voltage was up to 200h, which was 4times that of the traditional MFC using Pt/C as the catalyst, and the coulombic efficiency reached 17.45%. Moreover, in the reusability test of catalyst, the voltage of the MFC using the Pt/C catalyst dropped significantly, while the voltage of the MFC using the MnFe2O4/AC catalyst remained basically stable during the same running time indicating good cycle stability of the MnFe2O4/AC catalyst. In terms of sewage treatment effect, the highest treatment efficiency was 74.66% when the molar ratio of MnFe2O4/AC was 1:3. Therefore, the MnFe2O4/AC catalyst is simple to prepare, low in price, and stable in electrochemical performance, which has practical significance in improving the durability of MFC power generation.

microbial fuel cell;air cathode catalyst;manganese ferrite/activated carbon;wastewater treatment

X703

A

1000-6923(2022)06-2638-09

王 林(1997-),男,吉林通化人,吉林大學碩士研究生,主要從事微生物燃料電池陰極結構及催化劑研究.

2021-11-02

國家自然科學基金資助項目(41907163)

* 責任作者, 副教授, liyanhjgc@jlu.edu.cn