二氧化錳為陰極催化劑的微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC），是一種利用微生物作為催化劑將化學能轉化為電能的裝置，是微生物學與燃料電池技術相結合的產物。在微生物的催化作用下，MFC陽極室中有機物所包含的電子被提取出來，并通過外電路傳遞到陰極，與質子及氧 反應生成水，產生電流的同時有機物得以降解。提高MFCs的電能輸出是目前研究的重點，其影響因素主要有：（1）產電微 生物種類及電子媒介體;（2）電池結構;（3）隔膜的種類與性能;（4）陽極電子供體和電極材料;（5）陰極電子受體與電極材料。盡管利用空氣中的氧作為電子受體具有較大成本優勢和實用價值，然而由于動力學因素的影響，氧還原反應（ORR）的陰極存在－0.3～－0.45 V的過電勢，因此ORR的特性可直接影響MFCs性能。

金屬鉑具有高電催化活性和化學穩定性，在酸性或堿性條件下均是最好的ORR電催化劑，然而Pt的昂貴限制了它的廣泛使用。開發高效廉價的ORR催化劑是加速MFC應用的重要研究方向，有報道熱解酞菁鐵（pyr-FePc）、四甲基苯卟啉鈷（CoTTMP）等材料具有較好的催化性能，但制備工藝復雜、穩定性差。MnO2是一種來源廣泛、價格低廉的氧還原催化材料，并已應用于金屬-空氣電池，尤其是鋅-空氣電池中。其催化機理也較明確。

本文將MnO2涂敷于惰性石墨紙基體上作為催化電極，利用循環伏安法（CV）考查MnO2在1 mol/L KOH溶液中催化氧還原反應的行為，并將此催化電極作為雙室產氣腸桿菌MFC陰極，探討陰極液pH值對電池性能的影響。實驗結果表明，MnO2可作為一種高效廉價的MFCs陰極催化劑，且陰極液pH值的增大有利于電能的輸出，而目前對MFCs的研究多在中性或酸性磷酸緩沖液中進行，多篇文獻報道MFC的輸出電壓隨pH值的增加而降低，因此，本實驗對MFC在堿性陰極液條件下的研究為其應用拓寬了空間。

1.實驗

1.1材料與儀器

質子交換膜（Nafion117，美國Du Pont公司），使用前在 質量分數為3%的H2O2中煮沸1 h以除去表面有機物，然后 依次在80℃的去離子水、0.5 mol/L的硫酸、去離子水中各處 理1 h，最后置于去離子水中備用。石墨氈（幾何面積為4.5 cm×4.5 cm，真實表面積>0.69 m2）以銅導線接入外電路，連 接部分用環氧樹脂密封；石墨紙厚0.5 mm；MnO2、高純石墨 粉等試劑均為分析純。

16通道電壓數據采集器(AD8223，北京瑞博華控制技術有限公司)，電阻箱（1～99 999Ω），萬用表（勝利9807 A）， 電化學工作站（CHI605C，上海辰華儀器有限公司），恒溫培養箱（HPG-280H，哈爾濱東聯電子技術開發有限公司）。