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基于廢物生物質(zhì)的新型多孔碳材料

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-04-11 15:21:27

微生物燃料電池（MFC）作為一種環(huán)境友好型技術(shù)，通過微生物代謝有機污染物同步實現(xiàn)廢水凈化和電能回收，在可持續(xù)能源和污水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。然而，該技術(shù)的實際應(yīng)用長期受限于陰極氧還原反應(yīng)（ORR）的動力學(xué)障礙——傳統(tǒng)鉑基催化劑雖性能優(yōu)異，但其高昂成本和有限儲量嚴(yán)重制約了MFC的規(guī)?；瘧?yīng)用。與此同時，全球每年產(chǎn)生的數(shù)百萬噸沼氣殘渣（厭氧消化副產(chǎn)物）多以填埋或焚燒處理，既造成資源浪費又帶來環(huán)境壓力。

鑒于此，上海交通大學(xué)沈國清/陳欽程團隊在Water Research上發(fā)表了題為“從廢物生物質(zhì)中產(chǎn)生的單原子Fe修飾的N型多孔碳，作為微生物燃料電池中廢水處理的高性能空氣陰極”的研究論文，開發(fā)了一種基于廢棄生物質(zhì)（沼氣殘渣）的高效單原子鐵-氮摻雜多孔碳催化劑（Fe-SA/NBC），用于微生物燃料電池（MFC）的陰極氧還原反應(yīng)（ORR）。該催化劑通過精確調(diào)控Fe-N?活性位點和分級多孔結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出優(yōu)異的ORR催化性能：動力學(xué)電流密度達(dá)18.89 mA·cm?²，半波電位0.74 V，均優(yōu)于商用Pt/C催化劑（10.38 mA·cm?²，0.73 V）。在實際MFC應(yīng)用中，Fe-SA/NBC陰極實現(xiàn)了882.92 mW·m?²的功率密度（較Pt/C提升22.6%），并顯著提高了COD（47.8%）和氨氮（94.9%）的去除效率。通過同步輻射、電化學(xué)測試和DFT計算，研究揭示了單原子Fe-N?位點的高效氧活化機制。這項工作不僅為廢棄生物質(zhì)資源化提供了新思路，更為開發(fā)低成本、高性能的MFC陰極材料開辟了道路，對推動廢水處理-能源回收一體化技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

本研究成功開發(fā)出一種基于沼氣殘渣的單原子鐵-氮摻雜多孔碳催化劑（Fe-SA/NBC），其表現(xiàn)出卓越的氧還原反應(yīng)催化性能（動力學(xué)電流密度18.89 mA·cm?²，半波電位0.74 V），顯著優(yōu)于商用Pt/C催化劑。在實際微生物燃料電池應(yīng)用中，該催化劑不僅實現(xiàn)了882.92 mW·m?²的高功率密度（較Pt/C提升22.6%）和優(yōu)異的污染物去除效率（COD 47.8%，氨氮94.9%），還通過理論計算揭示了Fe-N?活性位點的高效催化機制。研究創(chuàng)新性地將廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高性能催化劑，并通過串聯(lián)供電實驗驗證了其實際應(yīng)用價值，為發(fā)展低成本、高效率的廢水處理-能源回收一體化技術(shù)提供了重要解決方案。

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