生物炭负载镍催化剂在二氧化碳甲烷化过程中的稳定性：失活机制与催化剂寿命的特征分析

《Biomass and Bioenergy》：Stability of biochar-supported Ni catalysts during carbon dioxide methanation: A characteristic analysis of deactivation mechanisms and catalyst longevity

花生壳冷冻预处理后制备的高性能活性炭阳极在微生物燃料电池中实现418.6±6.1 mA/m2电流密度，85.6±0.03%化学需氧量去除率，较传统工艺孔隙率提升5倍。

　　在当前全球能源需求不断上升的背景下，微生物燃料电池（MFCs）作为一种可持续的能源技术，受到了越来越多的关注。MFCs能够通过微生物的代谢活动，将有机物转化为电能，同时实现废水的净化，这使其在环境工程和能源回收领域具有广阔的应用前景。近年来，研究人员致力于开发高效、低成本的电极材料，以提升MFCs的性能。在这一过程中，活性炭（AC）因其优异的物理化学特性，如高比表面积、良好的孔隙结构、高导电性和对微生物的良好吸附能力，成为了MFCs电极材料的重要候选。

本研究的重点是利用花生壳（PS）这一常见的农业废弃物，通过引入冷冻辅助预处理技术，优化其作为MFCs阳极材料的性能。花生壳不仅来源广泛，而且具有低灰分、非毒性以及天然形成的运输通道等优势，使其成为制备高性能活性炭的理想前驱体。然而，传统的活性炭制备方法通常需要大量的化学活化剂，如氢氧化钾（KOH），以及高温碳化处理，这不仅增加了制备成本，还可能对环境造成污染。因此，探索一种更环保、更经济的制备方法显得尤为重要。

冷冻辅助预处理作为一种新兴的物理预处理手段，已在多个领域展现出其独特的优势。例如，在食品保存、生物质预处理以及即食稻米加工等方面，冷冻技术被广泛用于调节材料的孔隙结构和微观形态。其原理在于，冷冻过程中形成的冰晶在融化时会产生膨胀和收缩作用，从而对材料的内部结构施加局部机械力，进而产生表面沟槽、孔隙以及扩展的微孔通道。这种物理机制不仅能够有效提高材料的比表面积，还能够在不使用化学活化剂的情况下，改善其结构特性。

在本研究中，冷冻辅助预处理被应用于花生壳的活化过程中。实验结果显示，经过冷冻预处理的花生壳活性炭（FPSAC）具有显著优于传统方法制备的活性炭（PSAC）的物理化学特性。具体而言，FPSAC的比表面积达到了1707.3 m2/g，是PSAC（339.4 m2/g）的五倍。这一结果表明，冷冻预处理不仅能够有效扩大原有的孔隙结构，还能够显著提升材料的比表面积，从而增强其作为电极材料的性能。

此外，FPSAC的电化学性能也表现出色。在双室MFC系统中，以化粪池废水（STWW）为阳极液，FPSAC阳极表现出更高的电流密度（418.6 ± 6.1 mA/m2）、更高的库仑效率（68.7 ± 0.02%）以及更高的化学需氧量（COD）去除率（85.6 ± 0.03%）。这些性能指标的提升，主要归因于FPSAC的高比表面积和优异的孔隙结构，这些特性为微生物的附着和代谢活动提供了更大的表面积和更丰富的界面环境，从而促进了更高效的生物膜形成和电子传递。

通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）的观察，研究人员确认了FPSAC阳极上形成的生物膜厚度约为10 μm，这一结果与增强的电极-微生物相互作用密切相关。生物膜的形成不仅有助于提高电极的催化活性，还能够增强其对有机污染物的吸附能力，从而进一步提升MFCs的废水处理效率。

为了验证冷冻辅助预处理的效果，研究还对比了传统方法制备的活性炭。传统方法通常采用较高的KOH与碳的比例（PS:KOH = 1:3）以及较高的碳化温度（900 °C），以确保材料的充分活化和孔隙结构的形成。然而，这种方法不仅增加了化学试剂的消耗，还导致了更高的能耗和潜在的环境污染。相比之下，冷冻辅助预处理结合较低的KOH比例（1:1）和中等的碳化温度（600 °C）能够有效减少化学试剂的使用量和碳化过程的能耗，同时仍能获得具有优异性能的活性炭材料。

本研究的创新点在于，首次将冷冻辅助预处理技术应用于花生壳活性炭的制备，并将其作为MFCs的阳极材料。通过系统的电化学和物理化学分析，研究人员不仅揭示了冷冻预处理对材料结构和性能的影响，还验证了其在实际应用中的可行性。这一方法不仅降低了制备成本，还减少了对环境的负面影响，为实现MFCs的可持续发展提供了新的思路。

从材料科学的角度来看，冷冻辅助预处理能够显著改善材料的微观结构，使其具备更优的孔隙分布和更高的比表面积。这些特性对于MFCs的性能至关重要，因为它们直接影响了微生物的附着密度和电子传递效率。此外，冷冻预处理还能够减少对化学活化剂的依赖，从而降低制备过程中的环境污染风险。这一策略的引入，使得活性炭的制备更加环保和经济，符合当前绿色化学和可持续发展的趋势。

在实际应用中，MFCs的性能不仅取决于电极材料的质量，还受到其他因素的影响，如微生物的种类、培养条件、废水的性质等。因此，本研究在探讨冷冻辅助预处理对活性炭性能的影响的同时，也考虑了这些外部因素对系统整体性能的潜在影响。通过对比实验，研究人员发现，冷冻辅助预处理不仅能够提升活性炭的物理化学性能，还能够改善MFCs的运行效率，使其在实际废水处理和电能回收过程中更具竞争力。

此外，本研究还强调了MFCs在资源回收和环境治理方面的双重功能。一方面，MFCs能够高效地将有机废弃物转化为电能，为可再生能源的开发提供新的途径；另一方面，其在废水处理过程中能够显著降低污染物的浓度，提高水质，为可持续的水处理技术提供支持。这种“能源-环境”协同处理的理念，使得MFCs在应对全球能源和环境挑战方面具有重要的现实意义。

在材料合成方面，冷冻辅助预处理技术的引入，不仅拓宽了活性炭材料的制备途径，还为其他生物质废弃物的利用提供了新的思路。例如，类似的预处理方法可以应用于其他农业废弃物，如玉米秸秆、稻壳、椰子壳等，以制备具有高比表面积和优异电化学性能的活性炭材料。这些材料在MFCs中的应用，有望进一步推动生物能源技术的发展，提高其在实际工程中的可行性。

从技术角度来看，本研究通过实验验证了冷冻辅助预处理在活性炭制备中的有效性。实验结果显示，该方法能够显著降低KOH的使用量和碳化温度，同时保持活性炭的高比表面积和良好的孔隙结构。这种优化不仅提高了材料的性能，还降低了制备成本和环境影响，为实现大规模生产提供了可能。因此，冷冻辅助预处理技术被认为是未来活性炭材料制备的一个重要方向。

在工程应用层面，本研究的成果为MFCs的商业化提供了理论和技术支持。通过使用冷冻辅助预处理技术，可以制备出具有高比表面积和优异电化学性能的活性炭阳极，从而提高MFCs的电流密度和能量输出。同时，由于该方法减少了化学试剂的使用和碳化过程的能耗，因此更符合绿色制造和可持续发展的要求。这一策略的推广，有助于降低MFCs的运行成本，提高其在废水处理和生物能源生产中的经济性。

综上所述，本研究通过引入冷冻辅助预处理技术，成功制备出高性能的花生壳活性炭阳极材料，并在MFCs中表现出优异的电化学性能和废水处理能力。该方法不仅降低了KOH的使用量和碳化温度，还显著提高了活性炭的比表面积和孔隙结构，为MFCs的可持续发展提供了新的技术路径。未来，进一步优化冷冻预处理参数，探索其在其他生物质材料中的应用，将有助于推动生物能源技术的创新和发展，为实现绿色能源和环境治理的双重目标做出贡献。