有機性廃水処理のための微生物燃料電池に適する低廉で高性能なエアカソードの創製

创建适合用于有机废水处理的微生物燃料电池的廉价且高性能的空气阴极

• 批准号: 21H01461
• 负责人: 渡邉 智秀
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: Gunma University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01461/
• 关键词: 微生物燃料電池; 有機性廃水処理; 酸素還元触媒; エアカソード; 活性炭; 酸素還元反応触媒

前年度に最も高いORR活性が得られた原料の組み合わせ（鉄（II）フタロシアニン、尿素および活性炭）に対し、原料の配合比率、原料の分散・混合方法ならびに活性炭添加のタイミング等の因子をそれぞれ広範に変更した試料を調製してそれらのORR活性を調べ、各因子が及ぼす影響に合わせて前年度に比べて約3.4倍の性能を有する試料の調製条件を見出した。上記とは別に、フェロシアン化物、イミダゾールおよび活性炭を原料として高いORR活性を有する熱処理生成物を得た。また、配合率や分散・混合方法と得られた試料のORR活性との関係に加えて、試料表面に存在するほとんどの鉄がFe-Nx構造を有し、窒素はピリジン型の割合が高いことを示す結果が得られ、最適調製条件に関するさらなる検討の余地は残されているものの、より廉価な原料から高活性触媒を作製する可能性が示唆された。エアカソードの触媒層を構成するバインダーの候補として、4種類のフッ素樹脂またはシリコーンを選んで、触媒インクを作製する過程での作業性、電極表面への保持性およびリニアスィープボルタンメントリー（LSV）によるORR活性に基づいた簡易スクリーニングによる各素材の適性の把握を試み、素材ごとに添加率が及ぼす影響が大きく異なることに加え、対照系となるナフィオンを使用したインクの場合と見かけ上遜色のない性能が得られる素材とその配合条件を実験的に明らかにした。エアカソード、フェルト状炭素製のアノードおよびセパレータとなる多孔性PVAシートで構成される一体化電極モジュールを試作し、模擬有機性廃水へ浸漬して有機物分解除去に伴い発電することや予め硝化細菌生物膜をセパレータに形成させておくと窒素処理も可能であることを実証した。また、電極モジュールの酸素透過能やセパレータの性状が重要な因子であることがわかった。

对于上一年 ORR 活性最高的原料组合（酞菁铁 (II)、尿素和活性炭），原料的混合比例、原料的分散/混合方法等多种因素我们对原料、活性炭添加时机进行了更改，并检查了其 ORR 活性，发现了制备性能比前一年提高约 3.4 倍的样品的条件。考虑每个因素的影响。除此之外，以亚铁氰化物、咪唑和活性炭为原料，获得了具有高ORR活性的热处理产物。除了所获得样品的共混比、分散/混合方法和 ORR 活性之间的关系外，还需要注意的是，样品表面存在的大部分铁具有 Fe-Nx 结构，并且比例较高结果表明，尽管对于最佳制备条件仍有进一步研究的空间，但提出了用更便宜的原材料生产高活性催化剂的可能性。选择四种氟树脂或有机硅作为空气阴极催化剂层的候选粘合剂，并评估催化剂油墨制备过程中的可加工性、电极表面的保留性和线性扫描伏安法（LSV）。 ORR 活性我们试图通过简单的筛选来了解每种材料的适用性，结果发现除了添加率的效果因材料而异之外，我们发现了一种在性能上与使用 Nafion 的墨水明显相当的材料，这是控制系统及其复合条件通过实验阐明。我们原型制作了一个由空气阴极、毡碳制成的阳极和作为隔膜的多孔PVA片组成的集成电极模块，并将其浸入模拟有机废水中，通过分解和去除有机物来发电。我们演示了氮处理。如果在隔离物上形成膜也是可能的。还发现电极模块的透氧性和隔膜的性能是重要因素。

项目成果

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活性炭を用いたFe-N-C 触媒の調製条件が酸素還元反応活性へ及ぼす影響

活性炭Fe-N-C催化剂制备条件对氧还原反应活性的影响

• 发表时间: 2023
• 作者: 景政柊蘭;黒田恭平;中井亮佑;李玉友;久保田健吾;PENG Zhan; INOUE Ryo;篠原雅人，大沼卓也，石飛宏和，窪田恵一，渡邉智秀
• 通讯作者: 篠原雅人，大沼卓也，石飛宏和，窪田恵一，渡邉智秀

硝化能を有するセパレータを組み込んだ電極モジュールの窒素処理と発電特性

具有硝化能力的隔膜的电极模块的氮气处理和发电特性

• 发表时间: 2023
• 作者: 舟木 誠;尾崎 則篤;金田一 智規;大橋 晶良;涌井 優尚・酒井 高良・赤松 隆;佐藤嘉洋，円山琢也;川村雄斗，峪龍一，内田賢悦;劉沢，窪田恵一，渡邉智秀
• 通讯作者: 劉沢，窪田恵一，渡邉智秀

活性炭を用いたFe-N-C型触媒の調整とその酸素還元反応活性

活性炭Fe-N-C型催化剂的制备及其氧还原反应活性

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉江直樹;細川琉平;徳田慎太郎;門田雅仁;松下祥大，倉内文孝;渡邉智秀，齊藤あすか，篠原雅人，石飛宏和，窪田恵一
• 通讯作者: 渡邉智秀，齊藤あすか，篠原雅人，石飛宏和，窪田恵一