微生物燃料电池阴极材料研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种集废水处理与能量产生于一体的能源可持续发展技术,其利用微生物的催化作用将废水中的化学能转化为电能。MFC阴极催化性能直接决定了整个系统的产电水平,因此,阴极材料的制备与开发一直是研究热点。重点介绍了阴极基体材料和阴极催化剂的最新研究进展。其中,阴极基体材料包括碳基材料和非碳基材料,阴极催化剂包括贵金属、非贵金属、过渡态金属和导电聚合物催化剂等,并且比较了各种催化剂的物理性质、催化活性、氧化还原性能和对MFC系统产电能力的影响,为开发成本低、稳定性好、催化和氧化还原性能高的阴极材料提供了综合性参考。     

中药渣生物炭活化制备碳基电催化剂及其氧还原反应催化性能研究

以废弃物生物质中药渣为原料，以ZnCl₂为活化剂，通过热解活化两步法制备了生物质碳基氧还原电催化剂。采用SEM、氮气等温吸脱附测试、XRD、XPS、元素分析和电化学工作站等材料测试方法，分析了所制备碳基电催化剂的结构特征以及氧还原反应性能。结果表明，当活化剂与生物炭质量比为4∶1,活化温度为800℃时，所制备的ZC-4∶1-800阴极氧还原电催化剂性能最佳。ZC-4∶1-800具有介孔和微孔结构，比表面积可达970.4 m²/g,其起始电位为0.9 V(vs.RHE),半波电位为0.8 V,极限电流密度为4.9 mA/cm²,与商业20%Pt/C性能相近。此外，ZC-4∶1-800具有比商业20%Pt/C更好的稳定性和甲醇耐受性，在实际应用中有望作为商业贵金属电催化剂的替代品，同时也为废弃生物质的资源化利用提供了新路径。     

Fe(Ⅲ)/rGO/Bi_2MoO_6复合光催化剂制备及光催化芬顿协同降解苯酚

光催化–芬顿技术耦合可高效降解有机污染物。本研究采用溶剂热法制备了Fe(Ⅲ)掺杂rGO/Bi_2Mo O_6复合催化剂(Fe(Ⅲ)/rGO/Bi_2Mo O_6),通过外加H_2O_2构建了光催化–芬顿协同体系,可见光照射3 h后对苯酚的降解率(82%)远高于单独光催化(18%)或芬顿反应(48%),进一步优化条件对苯酚可实现完全降解。这主要是通过Fe得失电子实现价态的转变,并以此作为桥梁实现光催化–芬顿的协同作用。同时石墨烯的优异导电性能不仅克服了光催化中光生电子空穴难以分离的问题,而且促进了Fe~(3+)/Fe~(2+)的循环反应,促使芬顿反应产生更多的羟基自由基(·OH),进一步提高了苯酚的降解效率。实验考察了Fe(Ⅲ)含量、催化剂投加量、H_2O_2含量以及p H等因素对协同降解效果的影响。淬灭实验证明·OH是协同降解体系中最主要的活性物种,·O_2~–和h~+对降解活性也会产生一定的影响,结合实验结果提出了Fe(Ⅲ)/rGO/Bi_2Mo O_6光催化–芬顿协同降解苯酚的机理。     

磁性CuFe2O4纳米棒的合成及其芬顿反应降解刚果红性能的研究

以α-FeOOH纳米棒为模板,通过高温烧结法制备了磁性CuFe2O4纳米棒,并研究其芬顿氧化降解刚果红染料的性能。结果表明CuFe2O4纳米棒在150min内可以有效降解90%以上的刚果红染料,经过5次循环后,降解率并无明显下降,同时还考察了其他反应条件对降解率的影响。这种新型磁性芬顿试剂在水处理方面有较好的应用前景。     

生物质碳基催化材料的研究进展

生物质是产量丰富、种类繁多、价格低廉、环境友好的优良碳源,以生物质为原料制备碳催化材料无疑是变废为宝,可从根本上解决环境污染和资源浪费等问题。介绍了生物质的种类、组分及结构对生物质碳基催化材料性能的影响,对制备生物质碳基催化材料的两种常见方法热解法和水热碳化法进行了对比,探讨了进一步增强催化剂活性的3种方式：杂原子掺杂、金属离子修饰和官能化,分析总结了生物质碳催化材料面临的挑战。     

不同生物质来源的多孔碳复合碳电极在钙钛矿太阳能电池中的应用

通过将生物质在惰性气体保护下高温热解/活化制备多孔碳材料,具有成本低,工艺简单等优点,并且是一种废物利用,减少环境污染的有效途径。将三种不同生物质通过高温热解/活化制备了多孔碳材料,将其与市售导电碳浆复合制成碳浆料后应用于钙钛矿太阳能电池(PSCs)背电极,研究了不同生物质多孔碳材料的形貌、结构和比表面积等对器件光电性能的影响。结果表明,基于不同生物质多孔碳材料的PSCs的光电性能取决于生物质多孔碳材料的形貌、结晶度、比表面积和形态以及钙钛矿/碳电极的界面接触。基于生物质多孔碳的复合碳电极结合研磨工艺制备的碳基PSCs,由于具有良好的界面性能获得最高10.18%的光电转换效率(PCE)(未复合生物质碳的PSCs的PCE为6.39%),室温下保存60天后,仍保留了初始PCE的96%。     

纳米片修饰铜中空纤维膜的制备及电芬顿降解苯酚性能研究

通过湿法纺丝—气氛烧结技术制备了中空纤维金属铜膜,使用电化学氧化法构筑了氧化铜垂直纳米片结构,并研究了其电芬顿降解苯酚的性能.重点探究了纺丝参数(外凝固浴乙醇含量和氮气压力)和烧结温度对铜中空纤维膜结构、孔径、机械强度等的影响.探究了阳极氧化时间和表面活性剂含量对氧化铜纳米片结构形貌的影响.在最佳条件下,即阳极氧化时间...     

生物质衍生碳/MnO2复合材料在超级电容器中的应用进展

超级电容器具有充放电速度快、能量密度高、循环稳定性好等优点，而电极材料决定超级电容器的电化学性能。可再生生物质经过高温炭化可制备不同微观结构的碳材料，然而，这些碳材料存在比容量低的缺点；MnO₂具有高理论比电容，缺点是循环稳定差。生物质衍生碳与MnO₂复合可以实现两者优势互补。首先介绍了生物质衍生碳/MnO₂复合材料的制备方法，包括化学法、水热法和电沉积法。然后，按照不同生物质衍生碳的微观结构进行分类，综述了多孔碳/MnO₂、碳球/MnO₂、碳纤维管/MnO₂、碳纳米片/MnO₂和三维碳/MnO₂复合材料的制备及在超级电容器中的应用性能。最后，总结了综合性能最优的生物质衍生碳/MnO₂复合材料，并针对该领域存在的问题提出了其未来发展方向。     

生物质基碳气凝胶制备及应用研究

生物质材料成本低廉、碳源丰富,是碳气凝胶制备中最经济、环保和可持续性的原料。生物质基碳气凝胶展现出密度低、弹性高、比表面积大和导电性好等优异特性,有望广泛应用于电化学储能器件和吸附净化等领域。综述了生物质基碳气凝胶,如纤维素碳气凝胶、木质素基碳气凝胶、生物质衍生物基碳气凝胶以及碳气凝胶复合结构材料的制备工艺,总结了生物质基碳气凝胶在吸附和电化学等领域的应用研究。最后,分析了大规模制备结构均一和性能优良的生物质基碳气凝胶面临的机遇与挑战。     

Fe(III)/rGO/Bi2MoO6复合光催化剂制备及光催化芬顿协同降解苯酚

光催化-芬顿技术耦合可高效降解有机污染物。本研究采用溶剂热法制备了Fe(III)掺杂rGO/Bi₂MoO₆复合催化剂(Fe(III)/rGO/Bi₂MoO₆), 通过外加H₂O₂构建了光催化-芬顿协同体系, 可见光照射3 h后对苯酚的降解率(82%)远高于单独光催化(18%)或芬顿反应(48%), 进一步优化条件对苯酚可实现完全降解。这主要是通过Fe得失电子实现价态的转变, 并以此作为桥梁实现光催化-芬顿的协同作用。同时石墨烯的优异导电性能不仅克服了光催化中光生电子空穴难以分离的问题, 而且促进了Fe³⁺/Fe²⁺的循环反应, 促使芬顿反应产生更多的羟基自由基(?OH), 进一步提高了苯酚的降解效率。实验考察了Fe(III)含量、催化剂投加量、H₂O₂含量以及pH等因素对协同降解效果的影响。淬灭实验证明?OH是协同降解体系中最主要的活性物种, ?O₂^-和h⁺对降解活性也会产生一定的影响, 结合实验结果提出了Fe(III)/rGO/Bi₂MoO₆光催化-芬顿协同降解苯酚的机理。     

生物质多孔高导热碳基复合相变材料热性能的研究进展

通过现有文献的研究总结了生物质基的制备方法，主要通过物理改性方法制备出生物质基三维多孔碳载体、生物质气凝胶等封装相变材料防止泄露；通过高分子聚合、静电纺丝等化学制备法实现对相变材料的封装。针对复合相变材料导热性能差提出多孔材料吸附、微胶囊化、添加导热材料等方法以提高导热性能。对比了以无机多孔材料为载体和以生物质多孔基为载体的不同复合材料的导热系数，分析两种载体的优缺点。同时指出多元混合相变材料与生物质微胶囊化的研究方向，且目前在生物质基的基础上添加高导热材料的研究相对较少，对此不足之处进行探究，在未来可以制备出性能更佳的复合材料应用于更多领域。     

钛网表面Fe3O4/FeS2膜层制备及其类芬顿降解苯酚研究

为了拓宽类芬顿催化剂的pH适用范围、改善其有机污染物降解性能并解决其分离回收难的问题,本文采用易于大规模制备的电沉积法在钛网表面沉积了Fe3O4/FeS2固定化膜层.通过XRD、SEM及XPS等表征手段研究了所合成催化剂的相组成、形貌及表面元素价态.结果 显示,所合成的材料主要由Fe3 O4与FeS2物相组成,且膜层表面呈现由纳米片间相互交联形成的多孔网状结构.类芬顿降解苯酚性能表明,在0.20 mol/L硫源含量下所得膜层于pH 6.0、H2 O2含量6 mmol/L、苯酚初始质量浓度35 mg/L、反应温度30℃的条件下降解60 min,可将98％的苯酚去除.因而,Fe3O4/FeS2固定化膜层催化剂表现出优异的类芬顿催化活性.分析发现:材料较大的比表面积可增强传质,同时提供更多的活性位点参与苯酚降解;而催化剂表面键合的S22-可促进≡Fe3+/≡Fe2+以及Fe3 +/Fe2的氧化还原循环,同时,以硫酸根形式存在的硫物种可为类芬顿反应提供合适的酸性微环境,从而提高羟基自由基的产生速率及产生量,最终显著改善该催化剂在近中性条件下的催化活性.     

基于生物质制备活化三维多孔碳及其在微生物燃料电池中的应用

微生物燃料电池是一种能把污水中有机物蕴含的化学能直接转换成电能的装置。目前,相对低的输出功率密度限制了它的应用。开发高性能的阳极材料是解决途径之一。基于生物质秸秆利用Hummers氧化法结合抗坏血酸还原法制备了活化三维多孔碳阳极,用扫描电子显微镜观察了所制备的材料的形貌、发现活化过程可以产生许多大小不一的孔结构,可有效帮助传质扩散。交流阻抗谱、循环伏安测试表明,活化可以大大提高三维多孔碳的电化学性能,基于活化三维多孔碳3DPC阳极所制备的微生物燃料电池(MFCs),最大功率密度可达到1184.5W/m~3,远远高于改性前(774.8W/m~3)。此研究为构筑新型三维碳基阳极提供了新思路和新方法。     

添加不同生物质对无灰煤基活性炭结构及性能的影响

通过在无灰煤中添加不同生物质(玉米芯或松木屑),制备双电层电容器用活性炭电极材料，探究生物质对无灰煤基活性炭结构和电化学性能的影响。采用SEM、XRD、FTIR、N₂吸脱附表征其结构和组成，通过循环伏安、恒流充放电及交流阻抗测试其电化学性能。从生物质组成成分来看，添加高纤维素含量的生物质更有利于中孔的发育，使活性炭的孔隙结构更加完善。高纤维素半纤维素含量能够有效降低碳材料的电荷转移电阻和物质扩散阻力，使离子在孔结构之间的传输更加迅速。向无灰煤中添加玉米芯时，比电容提升45%,电荷转移电阻降低65%;向无灰煤中添加松木屑，比电容提升30%,电荷转移电阻降低35%,证明添加高纤维素含量的生物质更有利于活性炭的结构完善和电化学性能提升。     

Ni基Ag-Cu合金电极的制备及其在水杨酸降解过程的应用

为给电极的制备及水杨酸的降解提供一定理论依据,采用电沉积法制备了Ni基Ag-Cu合金电极并应用于水杨酸的降解过程.对不同Ag-Cu物质的量比例的Ni基Ag-Cu合金电极的电化学性能进行了考察,探索了在板间距、外加电压、电解时间等试验条件相同时,不同电解液浓度对水杨酸降解率的影响,比较了电化学氧化降解和声电协同降解效果.结果 表明:在温度、电流密度、电极间距、电极材料等试验条件相同,当电沉积液nAg∶nCu=8∶2时,Ni基Ag-Cu合金电极表面形貌良好,对水杨酸的降解率最高.Na2SO4作为电解质时最佳电解液浓度为1.064 g/L,此时对水杨酸的电化学氧化降解率为98.01％,而声电协同降解率为99.89％,协同效应下降解完全程度更高.     

Er3+掺杂TiO2空心球的制备及其光催化性能研究

以钛酸四丁酯、氧化铒、硝酸等为原料, 采用碳球模板法制备了TiO₂: Er³⁺空心球材料, 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等测试方法, 对样品的结构和形貌进行了表征。并利用紫外-可见(UV-Vis)分光光度计考察了TiO₂: Er³⁺空心球材料在催化染料罗丹明B、亚甲基蓝、茜素红、甲基橙的脱色降解过程中的应用性能。系统研究了Er³⁺掺杂浓度、不同离子型染料和染料水溶液的pH等因素对催化降解效率的影响。实验结果表明: 经600℃煅烧3 h制备的TiO₂: Er³⁺为锐钛矿晶型, 空心球结构, 尺寸均匀, 粒径约为120 nm, 比表面积约为60.5 m²/g; Er³⁺掺杂量为0.5mol%的样品对甲基橙染料的催化降解效率最高; 对四种不同离子型染料, 茜素红的催化降解效果显著, 在紫外光照射下, 催化效率较未掺杂Er³⁺的TiO₂提高了约30%。     

空心柱状CuS的制备及其降解染料性能

以硝酸铜、硫代硫酸钠为原料,采用沉淀法制备空心柱状CuS。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱测定仪(FT-IR)对所制备的空心柱状CuS的形貌及物相进行表征。同时,以甲基橙染料(MO)为目标污染物,研究空心柱状CuS的降解性能。结果表明:所制备的空心柱状CuS由CuS纳米片组装而成,其直径在400nm,长度为2.0μm左右。空心柱状CuS与H_2O_2组成的类芬顿体系对染料具有优异的降解能力,110min后甲基橙的降解率可高达86.6%,远优于实心结构CuS对染料的降解能力。     

松针基碳电极的制备及对碱/碱土金属离子的电吸附

以松针为初始原料,通过低温水热-高温碳化(活化)法,制备了两种松针基生物碳(PN和APN),在此基础上以自制生物炭为主要原料制备了生物碳基电吸附电极。通过SEM、拉曼光谱仪、XRD仪、比表面积和孔径分析仪以及电化学工作站对材料的形貌、结构和电化学性能进行表征,并考察了电吸附电极对碱/碱土金属离子的电吸附行为。结果表明,经活化得到的生物碳(APN)具有较大的比表面积(1 545 m~2·g~(-1))和更为发达的孔道结构,作为电吸附电极,其电化学性能良好(电容高)。吸附性能研究表明,在初始浓度相同的情况下,电极对离子的归一化吸附容量顺序为:Sr~(2+)Ca~(2+)Mg~(2+)Cs~+Rb~+K~+Na~+Li~+。吸附电压越高,电极的吸附容量越大。离子初始浓度越大,吸附容量也越大。循环结果表明,生物碳基电吸附电极的循环使用性能良好。     

环氧乙烯基笼型倍伴硅氧烷/P(3HB-co-4HB)复合材料的制备与降解性能

采用熔融共混法制备了环氧乙烯基笼型倍半硅氧烷(EOVPOSS)与聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)[P(3HB-co-4HB)]的复合材料,考察了不同含量的EOVPOSS对共混体系力学性能和降解性能的影响。结果表明,当添加的EOVPOSS含量为1%时,共混材料的力学性能最优,同时其在土壤及脂肪酶中的降解性能最佳。     

NH2-UiO-66机械催化降解染料的性能研究

作为类铁电材料, 金属有机骨架材料的机械催化降解染料性能的研究还鲜有报道。本研究采用溶剂热法合成了氨基化的Zr基MOF材料NH₂-UiO-66, 并将其应用于以超声为机械振动源催化降解染料罗丹明B。结果表明: 在超声振动5 h后罗丹明B的降解率可达80%, 且NH₂-UiO-66表现出良好的稳定性; 自由基捕获实验表明超声机械振动可诱导NH₂-UiO-66表面产生正负电荷, 进而形成具有强氧化活性的羟基自由基来分解染料分子。将MOF材料的机械催化技术应用在染料废水处理具有潜在的价值。