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[交流] 微生物燃料电池-可放大的活性炭辊压空气阴极已有17人参与

这次我要说的是我们近期微生物燃料电池空气阴极的一部分亮点工作。因作者比较懒惰，直接把CESPN的帖子贴过来了，用作交流。
这还要从张芳博士的帖子说起，话说张博士发现了活性炭是个好材料，我们也迷上了这东西，后来事实证明，活性炭优于Pt。这个看起来有点不符合常理，一小撮Pt能换好几麻袋活性炭，这是什么情况（太极12345看多了）？
实际上，目前MFC空气阴极之所以不能应用的一个最大问题是成本，谁都不可能把大把的白金扔在污水厂中。污水中的成分还可能导致Pt失活（比如硫化物, Feng et al., Biosen. Bioelectron. 2012, 35(1): 413-415）。Pt的替代催化剂有很多，比如Fe系，Co系，Mn系.....过渡金属都不错，可是，它们的成本还是有点贵，而且有些金属催化的是二电子反应，就是说，生成中间产物H2O2。高级氧化的童鞋们飘过吧.....最早的活性炭阴极应该是张芳的09年那篇电化学通讯（可以搜索本版，有她的一个总结精华帖）。我们的工作是提出了辊压制作活性炭阴极的方法（Water Res., 2012, 46: 5777-5787）。具体的方法看起来比较复杂，有人跟我说，看到那个流程图就头大，实际上仔细看明白了，比涂刷法简便很多的。简单来讲就是用不锈钢作为基体材料，将碳黑和PTFE按照3:7（开始是4:6，后来发现三七开更好一些）的质量比（我们论文里都是质量比，PTFE质量是60%乳液的质量，可用密度换算成体积）活成面团，做过饭的同学这里有优势（手感很弹，很Q）。然后用辊压机压成一定厚度的薄膜，然后压在不锈钢网上，加热，获得了空气扩散层。传统方法这里可是要烧1个碳基层和4个扩散层的哦。另外一面用同样的方法辊压活性炭与PTFE质量比为6:1的催化层，烧一下，就ok了，做完了。就这么简单。WR的论文里，最让我们骄傲的就是图6，LSV中活性炭阴极比Pt-Nafion阴极好那么多，而且重现性一目了然啊，我们当时得到这个结果的时候非常兴奋，Power值可以达到802mW/m2. 有人会说，现在power都已经上升到多少k了，你还不到1k呢。大家要注意，我这些测试阳极用的都是二维的碳纤维布（Wang et al., Environ. Sci. Technol., 2009, 43: 6870-6874），电极间距4cm，如果用刷子阳极外加2cm的间距，power值大家可以试试。
接下来我们改进了制作工艺，严格上来说简化了制作工艺，催化层做好后不烧，power值达到1086mW/m2（J Power Source, 2013, in press, just accepted）。这篇文章真的是几经沧桑，开始投到EST，审稿人说，前面那篇WR还没收录呢，这篇工作没有基础，不能发表，灭掉。结果我接到退稿信的那天，第一篇WR接收了。无奈转投WR，经历了2个半月的审稿，意见是9个审稿人都表示审不了，于是乎这篇变成了不符合WR要求的稿件。最后转往JPS，还差点因为the和a的故事被拒之门外，唉，血泪史，不说了，说正题。我们这篇的特色在于引入了压汞分析、表面接触角和介孔全分析，发现催化层加热后疏水性增强，不利于质子的迁移。而且加热后PTFE和碳粉间的孔隙减少，不利于气体和质子的传输。而扩散层不加热无孔，加热后则出现了多孔的疏松结构，利于O2的传导。为何加热对催化层和扩散层会有相反的效果，参见我们的JPS论文。
最后，我们用旋转圆盘电极分析了XC-72（普通碳），活性炭和超级电容活性炭的氧还原转移电子数，并对照了其压成催化层后转移电子数的变化，发现辊压形成的PTFE-碳-溶液三相界面提高了氧还原转移电子数，而用Nafion粘结后，Pt转移电子数降低，充分说明了辊压的必要性。阴极性能不在于用不用Pt，用多少Pt，而是如何创造最优的氧还原三相界面。就算你用Pt，界面问题处理不好，到头来还不如用碳的。原理大致如此。结合介孔分析和压汞分析，初步确定氧还原发生的位点在小于2nm的活性炭微孔内，此外，power值进一步提升到1355mW/m2，细节内容参见Environ. Sci. Technol., 2012, 46, 13009-13015。成本由1400美元/m2降低到30美元/m2，可以说已经具备应用的条件了。这里再次重申，不同反应器的power值并不能简单比较。
我师弟的研究还没有发表，他发现这种辊压阴极能承受3m的水压，不漏水。
先讲这么多吧，什么时候有空我再讲点阳极方面的工作。
最后感谢为上述研究工作付出辛勤汗水的董恒同学（论文第一作者），她的智慧和刻苦工作是本研究得以完成的必要条件。
此外，还要一并感谢一起奋斗的彭新红同学，高宁圣洁同学，等等，一并谢之。
相关的研究论文如下：

Dong H, Yu H, Wang X, Zhou Q, Feng J. A novel structure of scalable air-cathode without Nafion and Pt by rolling activated carbon and PTFE as catalyst layer in microbial fuel cells. Water Res., 2012, 46: 5777-5787.

Dong H, Yu H, Wang X. Catalysis kinetics and porous analysis of rolling activated carbon-PTFE air-cathode in microbial fuel cells. Environ. Sci. Technol., 2012, 46, 13009-13015.

Dong H, Yu H, Yu H, Gao N, Wang X. Enhanced performance of activated carbon-polytetrafluoroethylene air-cathode by avoidance of sintering on catalyst layer in microbial fuel cells. J. Power Sources, 2013, in press.

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