Mn(IV)，Fe(III)，其沉淀在空气阴极上可以增加功率输出[27]。 为了尽量减少运行成本，单室空气阴极微生物燃料电池正在由研究人员开

发，它是一个高效和可持续的从有机物质中回收电能的 MFC 装置[5]。 在石墨颗 粒阳极和管状空气阴极 MFC 中，连续产电，最大体积功率密度 50.2W/m3，电 流密度 216A/m3。更多的研究者使用单室空气阴极 MFC，用简单的或者被修饰 的（进行预处理或者金属附着）碳做阴极电极材料[16]。对于在电极中使用的任 何催化剂，其重要特征：稳定性、力学性能、表面面积和化学组成[17]。文献综述

对于上述的研究现状，非生物阴极 MFC 研究已取得了成效，贵金属 Pt/C 催化剂、过渡金属大环化合物、过渡金属催化剂等是研究的热点。相比较而言 碳黑是最基本的电极材料，价格低廉，容易获得，来源广泛。碳黑具有导电、 孔隙率大、耐候、等优点，被用来作为高分子材料的催化剂载体、医药载体[24]。 近年来，对碳黑表面进行改性的研究较多，如用氧化改性来增加碳黑表面的含 氧官能团(如-OH、-COOH、-CO-等)[24]，以减小碳黑粒子间的吸附力、基质的结 合力以及增大碳黑粒径。

化学改性碳黑能够优化碳黑表面的结构增大其比表面积、增加官能团、为 负载过渡金属氧化物等提供活性位点。碳黑表面存在杂质，含 S 等元素对催化 阴极会有影响，通过一些化学处理能去除杂质从而提高其 ORR 性能。

廉价的碳粉或活性炭是贵金属催化剂替代物。与其他催化剂相比，碳被视 为惰性材料；但研究表明，碳表面并不像预想的那么惰性。这种表层活性可以 解释为，不同的杂原子 (O，H，S， N)与碳缔合，在表面形成共价键，这个就 是活性位点。碳的催化活性可以通过改变缔合在碳上的杂原子的数量和材料孔 隙度来增加。

近来，在 H2 和 CO 的电催化氧化研究中，氧化酸处理碳取得一定效果。用 硝酸处理 Vulcan XC-72R，增加含氧基团的数量[28]。一些金属氧化物良好的电化 学性能，激起了一大批研究者探索兴趣。他们具有价格低、选择性高、化学稳 定性好等优点，已被用作碱性条件中的 ORR 催化剂，如过渡金属氧化物和稀土 氧化物。他们具有可变的化合价，有利于氧化还原的进行。此外，石墨烯负载 Co3O4 有高的电催化活性和 ORR 稳定性，因而本实验内容会按照这个思路进一 步探索。研究表明碳（如碳的化学偶联黑、纳米碳管、石墨）与金属氧化物（MnO2、来!自~优尔论-文|网www.youerw.com

CoOx、NiO2、纳米 TiO2 等）联合，碳颗粒之间的界面相互作用可使负载的催化 剂有高的电催化活性。研究人员推测，两者之间有强电子亲合力，致使独特的 价电子分布[29]。

1.4.2 本课题的研究内容

受文献启发，本实验逐步进行。化学改性碳黑是初步方案，通过硝酸、磷 酸、氢氧化钾、过氧化氢四种溶剂对碳黑进行改性，通过测试循环伏安曲线， 删选出最优改性处理，制备阴极材料，启动MFC测试产电情况以及功率密度。 化学的改性只能改变表面一些结构，增减元素，热处理可进一步改善表面结构， 增加活性位点。研究发现，硝酸浓度越高，回流温度越高，碳黑的电性能越强。 浓硝酸处理后在碳黑表面接枝羧基官能团，水热反应后生成酰胺基团，为氧化 钴的附着提供位点。

因此，本文在研究了一系列改性方法后遴选出最优方案，启动微生物燃料 电池，致力于寻找廉价高效的非生物阴极催化剂。