微生物燃料电池的长期运行会导致活性炭空气阴极性能明显降低。微生物燃料电池可以在废水处理期间通过使用产电菌从有机物中提取电力来收集能量。由产电菌通过氧化有机物释放电子，并通过外部电路转移到阴极，在那里通常发生氧气还原。微生物燃料电池中使用空气阴极来减少用于处理的能量，从而避免需要充水。活性炭由于催化活性高，成本低，因此是电池中空气阴极的有效氧还原反应的催化剂。
然而，随着时间的推移，交流阴极电池的运行已经显示出发电量下降。了保持阴极性能，必须了解内部污染机理。由于其内表面积大，在800〜1500 m 2 g -1范围内，活性炭常用于吸附水和废水处理系统中的有机物。以前的研究表明，活性炭对水中有机物质具有很强的吸附作用，如腐殖酸是水生系统中天然有机物的主要成分。一般家用废水含有〜400毫克/升基于化学需氧量的有机物-1，或总有机碳(toc)〜120 mg-c l -1。因此，使用微生物燃料电池的废水处理将使活性炭暴露于废水中的有机物质，导致一些有机物质吸附到活性炭上。大多数氧气的还原被认为是发生在活性炭的中孔和微孔中，因此有机吸附可能会阻塞这些孔，导致氧还原反应的降低。
为了确定腐殖酸吸附对活性炭阴极性能的影响，将两种不同浓度的腐殖酸加载到活性炭上。使用高浓度的腐殖酸溶液来缩短吸附过程并排除其他污染因素，例如通常在长期微生物燃料电池操作中发生的生物膜生长。然后将活性炭在阴极中的催化性能与电化学和微生物燃料电池测试中缺乏腐殖酸的对照进行比较。碳性能的变化也通过总表面积，孔体积和阴极质量来评估。
活性炭阴极制造和操作
活性炭载荷量为26.5mg / cm 2的活性炭阴极使用如前所述的相转化方法制造。简单来说，将活性炭粉末与10%聚(偏二氟乙烯)溶液和炭黑质量比为3：1：0.3。然后用刮刀将混合物涂布在11.3cm 2的不锈钢网圆形截面上。将阴极浸入蒸馏水中15分钟以在室温下诱导相转化。在测试之前，将阴极在通风橱中空气干燥超过6小时。
腐殖酸吸附
用活性炭处理腐殖酸溶液可以看到吸附量巨大。在阴极处理之前和之后基于toc的腐殖酸浓度分析表明14.2mg-c已经被1000mg l -1 溶液吸附。只有1.4±0.1mg-c用100mg l -1 溶液吸附到阴极上。在批次吸附试验中，活性炭的表面积和孔体积与腐殖酸浓度呈反比下降。在0.1毫克每升的活性炭总bet表面积-1 ha是520米2克-1下降至460米2克-1在1000毫克的l为活性炭 -1ha，这是一个12%的下降和其中微孔表面积有所减少最430〜380米2克-1的交流在1000毫克的l -1 ha(图1的a)。所述活性炭在100毫克的l -1 ha具有490米的bet表面积2克-1和仅表现为6%的下降(图1a)，这表明在较低的ha浓度低得多的表面覆盖。活性炭的孔体积也从0.49厘米降低3克-1在0毫克的l -1至0.47厘米3克-1，在100毫克的l -1和0.45厘米3g -1在1000mg l -1(图1b)。研究表明，活性炭的内孔表面对氧还原反应于催化非常关键，因此表面积和孔体积的下降程度可能会阻碍反应表面积，降低氧还原反应活性。
图1.(a)在孔径为 50nm的0,100 和1000mg l -1活性炭的孔体积中吸附的腐殖酸溶液。(b)在孔径为 50nm的0,100 和1000mg l -1 活性炭的孔体积中吸附的腐殖酸溶液。
氧还原反应对腐殖酸吸附的影响
利用旋转圆盘电极技术研究了含有和不含has的氧还原反应后活性炭的活性，从而在最小传质限制条件下获得了动力学反应速率。在氧还原反应的变化通常显示出在结果中为lsv和mfc测试了相同的趋势，尽管反应速率在1000毫克的l抑制到吸附后一个较小的程度-1 ha(图2)。通过使用2100rpm的转速的氧气鼓泡，传质阻力大大减小(图2，图s2)。活性炭用1000 mg l -1处理ha显示出0.19毫安的动力学限制电流下降了5%，相对于对照以-1 v相对于银/氯化银(图2b)。目前的生产没有明显改变暴露于低浓度的ha(催化剂图2b)。在循环伏安扫描中暴露于ha浓度时没有观察到氧化还原峰(si图s3)，表明腐殖酸吸附不作为介体发挥作用，仅在高浓度下起到阻断催化位点的作用。
图2.(a)0mg l -1 活性炭吸附腐殖酸溶液在不同转速下的电流-电位曲线。(b)用0,100和1000mg l -1 活性炭吸附腐殖酸溶液在2100rpm下的电流-电位曲线。
先前已经表明，在一年的微生物燃料电池操作之后的广泛的阴极结构将功率减少了近40%，其中约12%归因于阴极表面上的生物膜生长。因此，发电量的大部分减少是由于内部催化剂结垢。在此显示，活性炭对活性炭的大量吸附降低了功率，但是仅有14%。这表明长时间下降的其他原因更可能是由于污染物如微生物生物聚合物或不可逆沉淀的盐。更好地了解活性炭催化剂机构的机理对于开发确保微生物燃料电池阴极的稳定和长期操作的方法是至关重要的。
关键词：燃料电池 活性炭 电池 催化剂