成果简介
微生物燃料电池 (MFC) 产生电压面临的主要挑战之一是如何使用专门设计的空气阴极促进氧还原反应 (ORR) 过程，尤其是通过优化三相催化界面并增强其上的O2扩散。本文，大连理工大学Guowen Wang等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“N-Doping of Graphene Aerogel as a Multifunctional Air Cathode for Microbial Fuel Cells”的论文，研究通过水热合成和随后的冷冻干燥处理，将三维多孔N掺杂石墨烯气凝胶（NGA）聚合到钢网（SM）上以构建简单的空气阴极结构（NGA-x/SM）；更具体地说，NGA 同时用作有效的 ORR 催化剂层和透气气体扩散层，以提高 MFC 的性能。在该系统中，NGA-5/SM是用作空气阴极的理想候选材料。
表征参数表明，NGA-5/SM 中存在亚微米微孔、有缺陷的多层结构和最高比例的吡啶-N(48.1%)。此外，电化学测量表明其氧还原峰电位为0.63V，塔菲尔斜率为187mVdec–1，最接近4e-转移路径（n=3.2–3.5）。这些数据证明，在发生 ORR的NGA-5/SM 中可以自然形成三相边界。更重要的是，这项工作提供了一个概念证明，即可以通过两步制备方法用高效 NGA制备无Pt空气阴极，以实现 1593mWm–2的MFC最大功率密度。
图文导读
图1、NGA/SM的制备过程及SEM图像/拉曼光谱
图2、NGA/SM 阴极的表征
图3、NGA/SM阴极的电化学图示
图4. (a) 使用 NGA/SM 阴极的阴极电位比较。(b)使用 NGA/SM空气阴极的MFC的J – V曲线和功率密度。(c)在运行1个月期间，带有 NGA- x / SM 阴极的 MFC 的电池电压。(d) 阴极电位为0.1V 时EIS谱的 Nyquist图vs SCE；符号代表实验数据，线代表与等效电路拟合的数据。(e)运行73天后NGA- x /SM 面向空气侧的照片。(f) 三相电催化多功能 NGA/SM 的示意图。
小结
总之，在MFC中使用基于NGA的空气阴极的一个主要优势是，可以根据NGA的独特特性将阴极复合夹层结构简化为仅一个多功能层。疏水性多孔气凝胶在面向空气的一侧对氧气具有高亲和力，而这一侧也有利于质子传输的亲水通道的形成。吡啶-N保留在三相边界中作为活性位点。尽管研究发现了MFC发电性能提高的证据，但从收集的数据来看，无法确定NGA/SM空气阴极是否是MFC大规模建设和实际工程条件的革命性技术。所以，需要进一步研究以确定工业规模NGA/SM阴极的耐水性和耐受性。对基于 NGA/SM的阴极的可持续性及其实际应用可行性的定量评估需要基于类似的研究数据进一步验证。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.1c12605
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