Nitrogen-doped biochar derived from watermelon rind as oxygen reduction catalyst in air cathode microbial fuel cells

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作者
Kengqiang Zhong,Meng Li,Yue Yang,Hongguo Zhang,Bopeng Zhang,Jinfeng Tang,Jia Yan,Minhua Su,Zhiquan Yang
出处
期刊:Applied Energy [Elsevier BV]
卷期号:242: 516-525 被引量:177
标识
DOI:10.1016/j.apenergy.2019.03.050
摘要

Cathodic electrocatalyst is critical to the performance of microbial fuel cells. Developing cost-effective and efficient catalyst for oxygen reduction reaction is therefore an important step towards wider application of microbial fuel cells. Herein, we report a cost-effective and environment-friendly strategy for synthesis of nitrogen-doped hierarchically porous carbon with watermelon rind as a nitrogen-rich and high stability precursor and the biochar is used as cathode catalyst in air cathode microbial fuel cells. In this study, the pyrolysis derivative, WRC-700, achieves a current density of redox peak of 0.19 mA cm−2, which is comparable to the Pt/C catalyst. There are more CN bonds and higher concentrations of pyridinic nitrogen and graphitic nitrogen in the carbon framework of WRC-700 catalyst resulting in an outstanding electrochemical active area of 658.90 m2 g−1, functioning through a four-electron pathway toward oxygen reduction reaction process. The charge transfer resistance of 20.63 Ω is achieved by WRC-700 cathode, which is slightly smaller than Pt/C cathode (37.56 Ω). With experimental validation, we find that carbon from watermelon rind biomass can be considered as a superior alternative to non-metal catalyst in microbial fuel cell applications and envisage an enhanced power output from microbial fuel cells using the catalyst-modified cathodes.
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