顆粒在線訊：微生物燃料電池（MFCs）作為一種可同時(shí)發(fā)電的新型廢水處理方法，引起了人們的廣泛關(guān)注。氧還原反應(yīng)(ORR)的低活性仍然是限制MFCs發(fā)展的最關(guān)鍵的瓶頸之一。生物炭被認(rèn)為是具有發(fā)展?jié)摿Φ腛RR電催化劑。到目前為止，盡管對(duì)生物炭作為ORR電催化劑的研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，以使其具有經(jīng)濟(jì)上的實(shí)用性。本文系統(tǒng)的總結(jié)了近7年來(lái)生物炭基ORR催化劑在MFCs中的重要應(yīng)用進(jìn)展。

圖文解讀

背景介紹

在有限氧條件下由農(nóng)業(yè)廢物或污泥產(chǎn)生的生物炭，正在迅速成為一種環(huán)境恢復(fù)材料。與其他類型的廉價(jià)碳材料相比，由于生物炭表面積大、成本低、能耗低、陽(yáng)離子交換能力高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生物炭被認(rèn)為是傳統(tǒng)陰極催化劑（昂貴、對(duì)環(huán)境有害）的替代品。從農(nóng)業(yè)生物群落中提取了具有高ORR催化活性的生物炭，如巨型甘蔗莖、落花、水葫蘆、玉米棒和堅(jiān)果殼。圖1(a)介紹了用作ORR催化劑前體的生物質(zhì)源的相對(duì)貢獻(xiàn)。從農(nóng)業(yè)生物制品如巨型甘蔗秸稈、落花、水葫蘆、玉米棒和堅(jiān)果殼中提取了具有高ORR催化活性的生物炭。此外，圖1(b)顯示了2013年至2019年期間每年的出版物數(shù)量和被高度引用的論文的積累。應(yīng)當(dāng)指出的是，生物炭作為MFC的電催化劑是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，MFC的生物炭發(fā)展還處于起步階段；因此，在探索未來(lái)的應(yīng)用時(shí)，有足夠的詳細(xì)研究范圍。

圖1. (a) 用作ORR催化劑前提的生物質(zhì)資源占比；（b）2013年到2019年，在Web of Science通過(guò)關(guān)鍵詞“生物炭和微生物燃料電池” 檢索到的論文。

生物炭的性能、制備、評(píng)價(jià)和檢測(cè)

生物炭的組成是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。生物炭以各種微/納米結(jié)構(gòu)的形式存在，包括空心球體、核殼結(jié)構(gòu)和多孔粒子。在這些眾多的結(jié)構(gòu)中，蛋黃-殼結(jié)構(gòu)由于其高表面積與體積(SA/V)比而引起了越來(lái)越多的關(guān)注。生物炭的表面積和孔隙度與生物量的類型密切相關(guān)。生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及相對(duì)較少數(shù)量的果膠、蛋白質(zhì)、提取物和灰質(zhì)組成。制備完成后，必須通過(guò)測(cè)量來(lái)闡明生物炭電極的形態(tài)學(xué)和催化性能。陰極電位會(huì)影響電子及其受體的氧化還原反應(yīng)。從概述的角度來(lái)看，生物炭可以通過(guò)各種常見的分析技術(shù)來(lái)表征（圖2），目前主要包括循環(huán)伏安法(CV)、電化學(xué)阻抗光譜法(EIS)和掃描電子顯微鏡法(SEM)。

圖2. 生物炭的評(píng)價(jià)和測(cè)量方法。

生物炭作為ORR反應(yīng)催化劑在微生物燃料電池中的作用

摻雜異原子的碳質(zhì)材料被認(rèn)為是最有前途的候選材料，因?yàn)樗鼈兲峁┝藘?yōu)異的ORR電催化性能。在這些材料中，摻氮碳及其衍生物已被廣泛應(yīng)用于MFCs中（圖3a）。已證明摻雜N的生物炭可以改善ORR。進(jìn)一步說(shuō)，摻雜到碳晶格中的金屬和氮原子可以改變碳的電子和幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)其ORR催化活性。迄今為止，現(xiàn)有已發(fā)表的研究主要考慮了生物炭作為發(fā)電催化劑的優(yōu)點(diǎn)，但生物炭也可以是一種很有前途的替代陰極催化劑用于MFCs水處理領(lǐng)域（圖3b）。

圖3. （a）西瓜皮生物炭的催化劑示意圖，（b）從工業(yè)紙污泥中提取的原位N摻雜碳納米管/活性碳復(fù)合物，用來(lái)對(duì)MFC中的鉻酸鹽(VI)去除。

生物炭基催化劑當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)及其展望

如上所述，MFC的商業(yè)化或工業(yè)化應(yīng)用在很大程度上受到陰極側(cè)緩慢ORR的阻礙。生物炭電催化劑是工業(yè)規(guī)模MFC應(yīng)用中最具吸引力的候選催化劑，但在目前的MFC研究中很少被考慮。生物炭的異變性和其控制氧化還原性質(zhì)的困難可能會(huì)推遲其在涉及電子交換的MFCs中的使用。生物炭是一種復(fù)雜材料，低尺寸的生物炭具有很高的表面自由能，并且很容易恢復(fù)，這減少了活性位點(diǎn)的數(shù)量。理想的電極催化劑不僅具有活性和電導(dǎo)電性，而且除了在制造過(guò)程中以較低的材料成本和最小的能耗外，還具有回收或可重復(fù)使用的功能。此外，在進(jìn)行特定生產(chǎn)時(shí)，必須考慮使用生物炭電催化劑的效率?？紤]到這些問(wèn)題，以下部分將提出當(dāng)前研究的具體觀點(diǎn)。(1)擴(kuò)大生物炭的前體。(2)優(yōu)化碳化過(guò)程。(3)優(yōu)化化學(xué)活化和其他活化方法。(4)雖然生物炭可以簡(jiǎn)單地通過(guò)傳統(tǒng)的熱解來(lái)產(chǎn)生，但在不同應(yīng)用中產(chǎn)生多性能生物炭的單一方法還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。然而，共熱解技術(shù)有望通過(guò)加入其他材料來(lái)提高生物質(zhì)熱解的整體性能。(5)摻雜非貴金屬。(6)除了一般的ORR機(jī)制外，還應(yīng)更加注意生物炭作為ORR電催化劑對(duì)生物保護(hù)的阻力以及在長(zhǎng)期運(yùn)行方面良好的電導(dǎo)性和穩(wěn)定性。(7)為了驗(yàn)證生物炭作為一種新的綠色技術(shù)的可持續(xù)性，應(yīng)該在未來(lái)的研究中進(jìn)行生命周期分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。(8)未來(lái)MFC的發(fā)展將旨在從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模大規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的發(fā)電應(yīng)用。生物炭是一種低成本設(shè)計(jì)先進(jìn)ORR電催化劑的新策略。因此，工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)生物炭是應(yīng)用的需要。

文章信息

文章以“Sustainable biochar as an electrocatalysts for the oxygen reduction reaction in microbial fuel cell”為題，在Green Energy & Environment期刊發(fā)表。第一作者為碩士研究生李勝男，通訊作者為李鳳祥副教授。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.11.010