微生物燃料電池 (MFC) 產生電壓面臨的主要挑戰之一是如何使用專門設計的空氣陰極促進氧還原反應 (ORR) 過程，特別是通過優化三相催化界面并增強其上的 O2 擴散。 在此，將三維多孔摻氮石墨烯氣凝膠（NGA）聚合到鋼網（SM）上，通過水熱合成和隨后的冷凍干燥處理構建了空氣陰極（NGA-x/SM）的簡單結構； 更具體地說，NGA 同時用作有效的 ORR 催化劑層和透氣氣體擴散層，以提高 MFC 的性能。 在該系統中，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。 表征參數表明，NGA-5/SM 中存在亞微米微孔、有缺陷的多層結構和最高比例的吡啶-N (48.1%)。 此外，電化學測量表明它具有 0.63 V 的氧還原峰電位、187 mV dec
-1 的 Tafel 斜率和最近的 4e
-轉移途徑（n = 3.2-3.5）。 這些數據證明，在發生 ORR 的 NGA-5/SM 中可以自然形成三相邊界。 更重要的是，這項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，以實現 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地位的介孔導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率。 (g) NGA-x/SM 的 514.5 nm 激發拉曼光譜，(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XPS光譜NGO（左）和GO（右）。推測氨更傾向與GO的缺陷反應以促進熱處理過程中吡啶-N 的形成。這種獨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。 (h) XPS測量光譜，顯示C、N 和O峰的存在。
圖 4. (a) 三個 NGA-x 樣品的循環伏安圖，商業 Pt/C 在 O
2-（實線）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 轉速在O
2飽和的0.1 M KOH中的LSV極化曲線。 (c) 通過相應RDE數據的傳質校正得出的 NGA-x 的 Tafel 圖。 (d) NGA-2和NGA-10在400∼2025 rpm轉速下的旋轉盤電極極化伏安圖，插圖顯示0.6∼0.75V電位范圍內相應的Koutecky-Levich圖(j
-1vsω
-0.5)。 (e) 用NGA-xin O
2飽和的0.1 M KOH在1600 rpm下記錄的旋轉環盤電極伏安圖。 下半部分顯示磁盤電流，上半部分顯示環形電流。盤電位在5 mV s
-1掃描，環電位恒定在1.25 V。(f) 基于 (e) 中相應RRDE數據的NGA-xat各種電位的過氧化物百分比（實線）和電子轉移數（n）（虛線）。 所有圖都顯示了電位與RHE的關系。
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 EIS 譜的 Nyquist 圖； 符號代表實驗數據，線代表與等效電路擬合的數據。(e) 運行 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。
相關科研成果由大連理工大學Guowen Wang和Hongchao Ma等于2021年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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