微生物燃料電池的長期運(yùn)行會導(dǎo)致活性炭空氣陰極性能明顯降低。微生物燃料電池可以在廢水處理期間通過使用產(chǎn)電菌從有機(jī)物中提取電力來收集能量。由產(chǎn)電菌通過氧化有機(jī)物釋放電子，并通過外部電路轉(zhuǎn)移到陰極，在那里通常發(fā)生氧氣還原。微生物燃料電池中使用空氣陰極來減少用于處理的能量，從而避免需要充水。活性炭由于催化活性高，成本低，因此是電池中空氣陰極的有效氧還原反應(yīng)的催化劑。

　　然而，隨著時(shí)間的推移，交流陰極電池的運(yùn)行已經(jīng)顯示出發(fā)電量下降。了保持陰極性能，必須了解內(nèi)部污染機(jī)理。由于其內(nèi)表面積大，在800?1500 m 2 g -1范圍內(nèi)，活性炭常用于吸附水和廢水處理系統(tǒng)中的有機(jī)物。以前的研究表明，活性炭對水中有機(jī)物質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附作用，如腐殖酸是水生系統(tǒng)中天然有機(jī)物的主要成分。一般家用廢水含有?400毫克/升基于化學(xué)需氧量的有機(jī)物-1，或總有機(jī)碳(TOC)?120 mg-C L -1。因此，使用微生物燃料電池的廢水處理將使活性炭暴露于廢水中的有機(jī)物質(zhì)，導(dǎo)致一些有機(jī)物質(zhì)吸附到活性炭上。大多數(shù)氧氣的還原被認(rèn)為是發(fā)生在活性炭的中孔和微孔中，因此有機(jī)吸附可能會阻塞這些孔，導(dǎo)致氧還原反應(yīng)的降低。

　　為了確定腐殖酸吸附對活性炭陰極性能的影響，將兩種不同濃度的腐殖酸加載到活性炭上。使用高濃度的腐殖酸溶液來縮短吸附過程并排除其他污染因素，例如通常在長期微生物燃料電池操作中發(fā)生的生物膜生長。然后將活性炭在陰極中的催化性能與電化學(xué)和微生物燃料電池測試中缺乏腐殖酸的對照進(jìn)行比較。碳性能的變化也通過總表面積，孔體積和陰極質(zhì)量來評估。

　　活性炭陰極制造和操作

　　活性炭載荷量為26.5mg / cm 2的活性炭陰極使用如前所述的相轉(zhuǎn)化方法制造。簡單來說，將活性炭粉末與10%聚(偏二氟乙烯)溶液和炭黑質(zhì)量比為3：1：0.3。然后用刮刀將混合物涂布在11.3cm 2的不銹鋼網(wǎng)圓形截面上。將陰極浸入蒸餾水中15分鐘以在室溫下誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化。在測試之前，將陰極在通風(fēng)櫥中空氣干燥超過6小時(shí)。

　　腐殖酸吸附

　　用活性炭處理腐殖酸溶液可以看到吸附量巨大。在陰極處理之前和之后基于TOC的腐殖酸濃度分析表明14.2mg-C已經(jīng)被1000mg L -1 溶液吸附。只有1.4±0.1mg-C用100mg L -1 溶液吸附到陰極上。在批次吸附試驗(yàn)中，活性炭的表面積和孔體積與腐殖酸濃度呈反比下降。在0.1毫克每升的活性炭總BET表面積-1 HA是520米2克-1下降至460米2克-1在1000毫克的L為活性炭 -1HA，這是一個(gè)12%的下降和其中微孔表面積有所減少最430?380米2克-1的交流在1000毫克的L -1 HA(圖1的A)。所述活性炭在100毫克的L -1 HA具有490米的BET表面積2克-1和僅表現(xiàn)為6%的下降(圖1A)，這表明在較低的HA濃度低得多的表面覆蓋。活性炭的孔體積也從0.49厘米降低3克-1在0毫克的L -1至0.47厘米3克-1，在100毫克的L -1和0.45厘米3g -1在1000mg L -1(圖1B)。研究表明，活性炭的內(nèi)孔表面對氧還原反應(yīng)于催化非常關(guān)鍵，因此表面積和孔體積的下降程度可能會阻礙反應(yīng)表面積，降低氧還原反應(yīng)活性。

　　圖1.(A)在孔徑為<2nm，2-50nm和> 50nm的0,100 和1000mg L -1活性炭的孔體積中吸附的腐殖酸溶液。(B)在孔徑為<2nm，2-50nm和> 50nm的0,100 和1000mg L -1 活性炭的孔體積中吸附的腐殖酸溶液。

　　氧還原反應(yīng)對腐殖酸吸附的影響

　　利用旋轉(zhuǎn)圓盤電極技術(shù)研究了含有和不含HAs的氧還原反應(yīng)后活性炭的活性，從而在最小傳質(zhì)限制條件下獲得了動力學(xué)反應(yīng)速率。在氧還原反應(yīng)的變化通常顯示出在結(jié)果中為LSV和MFC測試了相同的趨勢，盡管反應(yīng)速率在1000毫克的L抑制到吸附后一個(gè)較小的程度-1 HA(圖2)。通過使用2100rpm的轉(zhuǎn)速的氧氣鼓泡，傳質(zhì)阻力大大減小(圖2，圖S2)。活性炭用1000 mg L -1處理HA顯示出0.19毫安的動力學(xué)限制電流下降了5%，相對于對照以-1 V相對于銀/氯化銀(圖2B)。目前的生產(chǎn)沒有明顯改變暴露于低濃度的HA(催化劑圖2B)。在循環(huán)伏安掃描中暴露于HA濃度時(shí)沒有觀察到氧化還原峰(SI圖S3)，表明腐殖酸吸附不作為介體發(fā)揮作用，僅在高濃度下起到阻斷催化位點(diǎn)的作用。

　　圖2.(A)0mg L -1 活性炭吸附腐殖酸溶液在不同轉(zhuǎn)速下的電流-電位曲線。(B)用0,100和1000mg L -1 活性炭吸附腐殖酸溶液在2100rpm下的電流-電位曲線。

　　先前已經(jīng)表明，在一年的微生物燃料電池操作之后的廣泛的陰極結(jié)構(gòu)將功率減少了近40%，其中約12%歸因于陰極表面上的生物膜生長。因此，發(fā)電量的大部分減少是由于內(nèi)部催化劑結(jié)垢。在此顯示，活性炭對活性炭的大量吸附降低了功率，但是僅有14%。這表明長時(shí)間下降的其他原因更可能是由于污染物如微生物生物聚合物或不可逆沉淀的鹽。更好地了解活性炭催化劑機(jī)構(gòu)的機(jī)理對于開發(fā)確保微生物燃料電池陰極的穩(wěn)定和長期操作的方法是至關(guān)重要的。