二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池

微生物燃料电池（MFC），是一种利用微生物作为催化剂将化学能转化为电能的装置，是微生物学与燃料电池技术相结合的产物。在微生物的催化作用下，MFC阳极室中有机物所包含的电子被提取出来，并通过外电路传递到阴极，与质子及氧 反应生成水，产生电流的同时有机物得以降解。提高MFCs的电能输出是目前研究的重点，其影响因素主要有：（1）产电微 生物种类及电子媒介体;（2）电池结构;（3）隔膜的种类与性能;（4）阳极电子供体和电极材料;（5）阴极电子受体与电极材料。尽管利用空气中的氧作为电子受体具有较大成本优势和实用价值，然而由于动力学因素的影响，氧还原反应（ORR）的阴极存在－0.3～－0.45 V的过电势，因此ORR的特性可直接影响MFCs性能。
金属铂具有高电催化活性和化学稳定性，在酸性或碱性条件下均是最好的ORR电催化剂，然而Pt的昂贵限制了它的广泛使用。开发高效廉价的ORR催化剂是加速MFC应用的重要研究方向，有报道热解酞菁铁（pyr-FePc）、四甲基苯卟啉钴（CoTTMP）等材料具有较好的催化性能，但制备工艺复杂、稳定性差。MnO2是一种来源广泛、价格低廉的氧还原催化材料，并已应用于金属-空气电池，尤其是锌-空气电池中。其催化机理也较明确。
本文将MnO2涂敷于惰性石墨纸基体上作为催化电极，利用循环伏安法（CV）考查MnO2在1 mol/L KOH溶液中催化氧还原反应的行为，并将此催化电极作为双室产气肠杆菌MFC阴极，探讨阴极液pH值对电池性能的影响。实验结果表明，MnO2可作为一种高效廉价的MFCs阴极催化剂，且阴极液pH值的增大有利于电能的输出，而目前对MFCs的研究多在中性或酸性磷酸缓冲液中进行，多篇文献报道MFC的输出电压随pH值的增加而降低，因此，本实验对MFC在碱性阴极液条件下的研究为其应用拓宽了空间。
1.实验
1.1材料与仪器
质子交换膜（Nafion117，美国Du Pont公司），使用前在 质量分数为3%的H2O2中煮沸1 h以除去表面有机物，然后 依次在80℃的去离子水、0.5 mol/L的硫酸、去离子水中各处 理1 h，最后置于去离子水中备用。石墨毡（几何面积为4.5 cm×4.5 cm，真实表面积>0.69 m2）以铜导线接入外电路，连 接部分用环氧树脂密封；石墨纸厚0.5 mm；MnO2、高纯石墨 粉等试剂均为分析纯。
16通道电压数据采集器(AD8223，北京瑞博华控制技术有限公司)，电阻箱（1～99 999Ω），万用表（胜利9807 A）， 电化学工作站（CHI605C，上海辰华仪器有限公司），恒温培养箱（HPG-280H，哈尔滨东联电子技术开发有限公司）。
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