微生物燃料電池 (MFC) 產(chǎn)生電壓面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何使用專門設(shè)計(jì)的空氣陰極促進(jìn)氧還原反應(yīng) (ORR) 過程，特別是通過優(yōu)化三相催化界面并增強(qiáng)其上的 O2 擴(kuò)散。 在此，將三維多孔摻氮石墨烯氣凝膠（NGA）聚合到鋼網(wǎng)（SM）上，通過水熱合成和隨后的冷凍干燥處理構(gòu)建了空氣陰極（NGA-x/SM）的簡單結(jié)構(gòu)； 更具體地說，NGA 同時(shí)用作有效的 ORR 催化劑層和透氣氣體擴(kuò)散層，以提高 MFC 的性能。 在該系統(tǒng)中，NGA-5/SM（前體濃度為 x = 5.0 mg mL
-1）使其成為用作空氣陰極的完美候選。 表征參數(shù)表明，NGA-5/SM 中存在亞微米微孔、有缺陷的多層結(jié)構(gòu)和最高比例的吡啶-N (48.1%)。 此外，電化學(xué)測量表明它具有 0.63 V 的氧還原峰電位、187 mV dec
-1 的 Tafel 斜率和最近的 4e
-轉(zhuǎn)移途徑（n = 3.2-3.5）。 這些數(shù)據(jù)證明，在發(fā)生 ORR 的 NGA-5/SM 中可以自然形成三相邊界。 更重要的是，這項(xiàng)工作提供了一個概念證明，即可以通過兩步制備方法用高效 NGA 制備無 Pt 空氣陰極，以實(shí)現(xiàn) 1593 mW m
-2 的 MFC 最大功率密度。
圖 1. 空氣電池示意圖
圖 2. (a) NGA/SM 的合成策略和 (b) 帶有鋼網(wǎng)插入物的制備好的 NGA/SM。 (c) 冷凍干燥的 NGA/SM 電極在不同放大倍數(shù)下的橫截面 SEM 圖像。 (d) NGA-x/SM 接觸潤濕角的照片。(e) NGA-x 樣品的氮吸附和解吸等溫線曲線。在N
2吸附部分，在孔隙體積中占主導(dǎo)地位的介孔導(dǎo)致位于相對較高壓力下的急劇增加 (P/P0=0.86-0.98)。插圖：使用 BJH 算法的吸附分支計(jì)算 NGA-x 的氮吸附和解吸等溫線的孔徑分布 (PSD)。 (f) NGA-5/SM 沿不同切割方向的電導(dǎo)率。 (g) NGA-x/SM 的 514.5 nm 激發(fā)拉曼光譜，(h) N 摻雜氧化石墨烯 (NGO) 和 (i) 制備的 GO。
圖 3. NGA-x/SM 的 XPS 光譜，(a-c)高分辨率N 1s光譜揭示了N-堿基組的存在，包括吡啶-N、吡咯-N、石墨-N 和吡啶 N+-O- 。 ( d-f) C 1s光譜由 C-C/C=C (284.5 eV)、C-N (286.6 eV)和O-C=O (289.0 eV) 組成。 (g) 根據(jù)XPS光譜NGO（左）和GO（右）。推測氨更傾向與GO的缺陷反應(yīng)以促進(jìn)熱處理過程中吡啶-N 的形成。這種獨(dú)特的以吡啶氮為主的摻雜和豐富的缺陷有望對 ORR/OER過程做出巨大貢獻(xiàn)。 (h) XPS測量光譜，顯示C、N 和O峰的存在。
圖 4. (a) 三個 NGA-x 樣品的循環(huán)伏安圖，商業(yè) Pt/C 在 O
2-（實(shí)線）和 N
2（虛線）-飽和的 0.1 M KOH 水溶液中，電壓為 5 mV s
-1。 (b) 所制備的 NGA-xat 5 mV s
-1和1600 rpm 轉(zhuǎn)速在O
2飽和的0.1 M KOH中的LSV極化曲線。 (c) 通過相應(yīng)RDE數(shù)據(jù)的傳質(zhì)校正得出的 NGA-x 的 Tafel 圖。 (d) NGA-2和NGA-10在400∼2025 rpm轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)盤電極極化伏安圖，插圖顯示0.6∼0.75V電位范圍內(nèi)相應(yīng)的Koutecky-Levich圖(j
-1vsω
-0.5)。 (e) 用NGA-xin O
2飽和的0.1 M KOH在1600 rpm下記錄的旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極伏安圖。 下半部分顯示磁盤電流，上半部分顯示環(huán)形電流。盤電位在5 mV s
-1掃描，環(huán)電位恒定在1.25 V。(f) 基于 (e) 中相應(yīng)RRDE數(shù)據(jù)的NGA-xat各種電位的過氧化物百分比（實(shí)線）和電子轉(zhuǎn)移數(shù)（n）（虛線）。 所有圖都顯示了電位與RHE的關(guān)系。
圖 5.(a) 使用NGA/SM陰極的陰極電位比較。 (b) 使用 NGA/SM 空氣陰極的 MFC 的 J-V 曲線和功率密度。(c) 在運(yùn)行1個月期間，帶有NGA-x/SM 陰極的MFC的電池電壓。 (d) 陰極電位為 0.1 V和 SCE 時(shí) EIS 譜的 Nyquist 圖； 符號代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，線代表與等效電路擬合的數(shù)據(jù)。(e) 運(yùn)行 73 天后 NGA-x/SM 的面向面的照片。(f) 三相電催化多功能 NGA/SM 的示意圖。
相關(guān)科研成果由大連理工大學(xué)Guowen Wang和Hongchao Ma等于2021年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.1c12605）上。原文：N-Doping of Graphene Aerogel as a Multifunctional Air Cathode for Microbial Fuel Cells。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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