微生物燃料电池 (MFC) 产生电压面临的主要挑战之一是如何使用专门设计的空气阴极促进氧还原反应 (ORR) 过程，特别是通过优化三相催化界面并增强其上的 O2 扩散。 在此，将三维多孔掺氮石墨烯气凝胶（NGA）聚合到钢网（SM）上，通过水热合成和随后的冷冻干燥处理构建了空气阴极（NGA-x/SM）的简单结构； 更具体地说，NGA 同时用作有效的 ORR 催化剂层和透气气体扩散层，以提高 MFC 的性能。 在该系统中，NGA-5/SM（前体浓度为 x = 5.0 mg mL^-1）使其成为用作空气阴极的完美候选。 表征参数表明，NGA-5/SM 中存在亚微米微孔、有缺陷的多层结构和最高比例的吡啶-N (48.1%)。 此外，电化学测量表明它具有 0.63 V 的氧还原峰电位、187 mV dec^-1 的 Tafel 斜率和最近的 4e^-转移途径（n = 3.2-3.5）。 这些数据证明，在发生 ORR 的 NGA-5/SM 中可以自然形成三相边界。 更重要的是，这项工作提供了一个概念证明，即可以通过两步制备方法用高效 NGA 制备无 Pt 空气阴极，以实现 1593 mW m^-2 的 MFC 最大功率密度。
 

图 1. 空气电池示意图
 
 
图 2. (a) NGA/SM 的合成策略和 (b) 带有钢网插入物的制备好的 NGA/SM。 (c) 冷冻干燥的 NGA/SM 电极在不同放大倍数下的横截面 SEM 图像。 (d) NGA-x/SM 接触润湿角的照片。(e) NGA-x 样品的氮吸附和解吸等温线曲线。在N₂吸附部分，在孔隙体积中占主导地位的介孔导致位于相对较高压力下的急剧增加 (P/P0=0.86-0.98)。插图：使用 BJH 算法的吸附分支计算 NGA-x 的氮吸附和解吸等温线的孔径分布 (PSD)。 (f) NGA-5/SM 沿不同切割方向的电导率。  (g) NGA-x/SM 的 514.5 nm 激发拉曼光谱，(h) N 掺杂氧化石墨烯 (NGO) 和 (i) 制备的 GO。
 
 
图 3. NGA-x/SM 的 XPS 光谱，(a-c)高分辨率N 1s光谱揭示了N-碱基组的存在，包括吡啶-N、吡咯-N、石墨-N 和吡啶 N+-O- 。 ( d-f) C 1s光谱由 C-C/C=C (284.5 eV)、C-N (286.6 eV)和O-C=O (289.0 eV) 组成。 (g) 根据XPS光谱NGO（左）和GO（右）。推测氨更倾向与GO的缺陷反应以促进热处理过程中吡啶-N 的形成。这种独特的以吡啶氮为主的掺杂和丰富的缺陷有望对 ORR/OER过程做出巨大贡献。 (h) XPS测量光谱，显示C、N 和O峰的存在。
 
  
图 4. (a) 三个 NGA-x 样品的循环伏安图，商业 Pt/C 在 O_2-（实线）和 N₂（虚线）-饱和的 0.1 M KOH 水溶液中，电压为 5 mV s^-1。 (b) 所制备的 NGA-xat 5 mV s^-1和1600 rpm 转速在O₂饱和的0.1 M KOH中的LSV极化曲线。 (c) 通过相应RDE数据的传质校正得出的 NGA-x 的 Tafel 图。 (d) NGA-2和NGA-10在400∼2025 rpm转速下的旋转盘电极极化伏安图，插图显示0.6∼0.75V电位范围内相应的Koutecky-Levich图(j^-1vsω^-0.5)。 (e) 用NGA-xin O₂饱和的0.1 M KOH在1600 rpm下记录的旋转环盘电极伏安图。 下半部分显示磁盘电流，上半部分显示环形电流。盘电位在5 mV s^-1扫描，环电位恒定在1.25 V。(f) 基于 (e) 中相应RRDE数据的NGA-xat各种电位的过氧化物百分比（实线）和电子转移数（n）（虚线）。 所有图都显示了电位与RHE的关系。
 
  
图 5.(a) 使用NGA/SM阴极的阴极电位比较。  (b) 使用 NGA/SM 空气阴极的 MFC 的 J-V 曲线和功率密度。(c) 在运行1个月期间，带有NGA-x/SM 阴极的MFC的电池电压。  (d) 阴极电位为 0.1 V和 SCE 时 EIS 谱的 Nyquist 图； 符号代表实验数据，线代表与等效电路拟合的数据。(e) 运行 73 天后 NGA-x/SM 的面向面的照片。(f) 三相电催化多功能 NGA/SM 的示意图。
 
       相关科研成果由大连理工大学Guowen Wang和Hongchao Ma等于2021年发表在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。

转自《石墨烯研究》公众号