الکترودهای کربنی-نانوکامپوزیتی مونولیتیک متخلخل بر پایه چوب کربنیزه/ چارچوب فلز-آلی به عنوان کاتد خودایستا برای پیل سوختی میکروبی رسوبی

مواد کربنی با داشتن امتیازاتی چون ثبات شیمیایی و گرمایی، رسانایی الکتریکی، سطح ویژه و تخلخل زیاد در ساخت الکترودها بسیار متداول می باشند. مواد کربنی بر پایه چوب در دستگاه های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی، عملکرد خازنی مناسبی داشته و سبب افزایش ذخیره بار می گردد؛ اما چوب رسانایی الکتریکی کافی به عنوان الکترود کربنی نداشته و به منظور تقویت عملکرد آن، کامپوزیت های مواد کربنی با سایر مواد رسانا سنتز شده اند. در این پژوهش خصوصیات فیزیکی-شیمیایی و الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی نانوکامپوزیتی مشتق شده از چوب واجد ذرات چارچوب فلز-آلی منگنز (Mn-MOF) سنتز شده به روش درجا و کارایی این الکترودها به عنوان کاتد در پیل سوختی میکروبی رسوبی بررسی و با عملکرد الکترودهای چوب پیرولیز شده شاهد و نمد کربنی تجاری مقایسه شد. قطعه هایی از برون چوب چنار خاوری (Platanus orientalis) به عنوان ماده اولیه لیگنوسلولزی در دمای °C 700 و نرخ گرمایش°C min-1 5 در کوره تحت اتمسفر گاز بی اثر آرگون با دبی جریان mLmin-1 100 و زمان ماند 1 ساعت پیرولیز شد. پس از پیرولیز، نمونه های چوب کربنیزه با آب مقطر شست وشو و در آون خشک شدند. به منظور سنتز درجای Mn-MOF و ساخت الکترودهای کامپوزیتی CW/ Mn-MOF از منگنز (II) استات چهارآبه و لیگاند 5،3،1- بنزن تری کربوکسیلیک اسید استفاده شد. در پایان، نمونه ها با اتانول شسته و در آون خشک شدند. پیرولیز ثانویه با نرخ گرمایش°C min-1 5 تا دمای °C 900 و زمان ماند 2 ساعت در جریان دائمی گاز آرگون انجام شد. نتایج این پژوهش نشان داد پس از پیرولیز، از نظر ریخت شناسی ساختار متخلخل و کانال های به هم پیوسته و مستقیم چوب حفظ شد. علاوه بر آن سنتز درجای Mn-MOF روی بستر چوب کربنیزه موفقیت آمیز بود. نتایج طیف سنجی رامان، افزایش میزان بی نظمی و ناجوراتمی در ساختار الکترودهای نانوکامپوزیتی تهیه شده را در مقایسه با نمونه چوب پیرولیز شده شاهد نشان داد. الگوهای پراش پرتوی ایکس دلالت بر حضور ساختار کربن آمورف و گرافیتی در الکترودهای تهیه شده داشت. علاوه بر آن، الکترودهای کربنی دوپه شده با چارچوب های فلز-آلی منگنز در مقایسه با الکترودهای شاهد و نمد کربنی، کم ترین امپدانس و بیش ترین چگالی توان را نشان داد. بر طبق نتایج، کربنیزاسیون در دمای بالا، سبب گرافیتی شدن ماده چوبی و رسانایی الکتریکی آن می شود. دوپه کردن الکترودهای کربنی و ساخت الکترود کربنی کامپوزیتی مبتنی بر چوب پیرولیز شده حاوی چارچوب فلز-آلی منگنز موجب تقویت عملکرد الکتروشیمیایی کاتد در پیل سوختی میکروبی رسوبی گردید. اثر هم افزایی حاصل از رفتار شبه خازنی چارچوب فلز-آلی منگنز به همراه رفتار خازنی دولایه کربن، موجب بهبود عملکرد کلی پیل گردید.