成果簡介
微生物燃料電池 (MFC) 產生電壓面臨的主要挑戰之一是如何使用專門設計的空氣陰極促進氧還原反應 (ORR) 過程，尤其是透過最佳化三相催化介面並增強其上的O2擴散。本文，大連理工大學Guowen Wang等研究人員在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為“N-Doping of Graphene Aerogel as a Multifunctional Air Cathode for Microbial Fuel Cells”的論文，研究透過水熱合成和隨後的冷凍乾燥處理，將三維多孔N摻雜石墨烯氣凝膠（NGA）聚合到鋼網（SM）上以構建簡單的空氣陰極結構（NGA-x/SM）；更具體地說，NGA 同時用作有效的 ORR 催化劑層和透氣氣體擴散層，以提高 MFC 的效能。在該系統中，NGA-5/SM是用作空氣陰極的理想候選材料。
表徵引數表明，NGA-5/SM 中存在亞微米微孔、有缺陷的多層結構和最高比例的吡啶-N(48.1%)。此外，電化學測量表明其氧還原峰電位為0.63V，塔菲爾斜率為187mVdec–1，最接近4e-轉移路徑（n=3.2–3.5）。這些資料證明，在發生 ORR的NGA-5/SM 中可以自然形成三相邊界。更重要的是，這項工作提供了一個概念證明，即可以透過兩步製備方法用高效 NGA製備無Pt空氣陰極，以實現 1593mWm–2的MFC最大功率密度。
圖文導讀
圖1、NGA/SM的製備過程及SEM影象/拉曼光譜
圖2、NGA/SM 陰極的表徵
圖3、NGA/SM陰極的電化學圖示
圖4. (a) 使用 NGA/SM 陰極的陰極電位比較。(b)使用 NGA/SM空氣陰極的MFC的J - V曲線和功率密度。(c)在執行1個月期間，帶有 NGA- x / SM 陰極的 MFC 的電池電壓。(d) 陰極電位為0.1V 時EIS譜的 Nyquist圖vs SCE；符號代表實驗資料，線代表與等效電路擬合的資料。(e)執行73天后NGA- x /SM 面向空氣側的照片。(f) 三相電催化多功能 NGA/SM 的示意圖。
小結
總之，在MFC中使用基於NGA的空氣陰極的一個主要優勢是，可以根據NGA的獨特特性將陰極複合夾層結構簡化為僅一個多功能層。疏水性多孔氣凝膠在面向空氣的一側對氧氣具有高親和力，而這一側也有利於質子傳輸的親水通道的形成。吡啶-N保留在三相邊界中作為活性位點。儘管研究發現了MFC發電效能提高的證據，但從收集的資料來看，無法確定NGA/SM空氣陰極是否是MFC大規模建設和實際工程條件的革命性技術。所以，需要進一步研究以確定工業規模NGA/SM陰極的耐水性和耐受性。對基於 NGA/SM的陰極的可持續性及其實際應用可行性的定量評估需要基於類似的研究資料進一步驗證。
文獻：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c12605
