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微生物燃料电池(MFC)在污水净化的同时产生电能,是一种具有前景的污水资源化利用和能源再生技术。开发高效、低成本的阴极氧还原(ORR)催化剂是当前MFC领域的研究重点和难点。活性碳是最具应用潜力的MFC非贵金属催化剂之一,然而其ORR催化活性偏低,限制了其大规模实际应用。为提升MFC中活性碳催化剂的ORR催化活性,本研究开发高效且廉价的蹄壳基活性碳和活性碳载CoNC复合催化剂。以猪蹄壳为原材料,采用磷酸活化法制备蹄壳基活性碳(HSC)。表征结果表明,HSC表面粗糙多孔,均匀分布着C、N、O、P四种元素,含有吡啶-N和石墨-N催化活性位点,碳骨架结构石墨化程度较高,有利于提高催化剂的ORR活性。采用玻碳电极测试各活化温度下制得HSC的ORR催化性能,结果表明,850℃活化温度下制备的HSC阻抗最小,ORR电流密度最大。在-0.2 V下产生的电流密度为9.1A/m2,比700℃、800℃和900℃下制备的HSC分别提高了 122.0%、51.7%和51.7%。将所制备的HSC催化剂制成空气阴极,在中性溶液中考察空气阴极的电化学性能,结果表明,在最佳活化温度850℃下,HSC空气阴极在-0.2V下产生的电流密度为0.2A/m2,比700℃、800℃和900℃下制备的HSC空气阴极分别提高了 233.3%、150.0%和 5.3%。通过在活性碳上原位生长CoZn-ZIF(一种双金属MOFs),继而高温热解制备活性碳载CoNC复合催化剂(CoNC@AC)。表征结果显示,CoNC@AC含有丰富的吡啶-N、Co-Nx和石墨-N催化活性位点,可有效提升催化剂ORR反应活性;CoNC@AC碳骨架石墨化程度高,且大量Co纳米颗粒和碳纳米管均匀分在碳骨架中,有利于提升催化剂的导电性,减小ORR过程中的电子传递阻力;CoNC@AC具有平衡的微孔-中孔共存结构,比表面积高达1186.4 m2/g,可以在提供大量催化活性位点的同时,有效促进ORR过程中氧气、质子等物质的传质。旋转圆盘电极测试结果表明,CoNC@AC在中性溶液中的极限扩散电流密度达到4.06 mA/cm2,ORR电子转移数为3.67-3.89,与商业Pt/C接近,说明CoNC@AC通过高效的4e-途径进行ORR催化。将不同热解温度下制备的CoNC@AC制成空气阴极,考察催化剂在实际空气阴极中的电化学性能。结果表明,在最佳热解温度850℃下,CoNC@AC空气阴极的交换电流密度j0值为3.35×10-4 A/cm2,-0.2V下的ORR电流密度为11.7A/m2,分别比普通活性碳空气阴极提高了73%和120%。800℃、850℃和900℃热解温度下制备的CoNC@AC在MFC中的最大功率密度分别为1880±23mW/m2、2045±43mW/m2和 1872±43mW/m2,比普通活性碳 MFC 提高了51%-65%。