锶锰双金属氧化物阴极催化剂强化微生物脱盐电池的产电与脱盐性能

为应对全球水资源短缺问题，研究人员开发了一种基于Sr-Mn双金属氧化物（含SrMnO3 钙钛矿）的阴极催化剂，通过提升氧还原反应（ORR）动力学，显著提高微生物脱盐电池（MDC）的产电效率（最高开路电压909 mV）和脱盐效率（92%），同时实现81.2%的化学需氧量（COD）去除率。该研究为绿色脱盐技术提供了低成本、高效能的解决方案。

　　

研究背景与意义

全球水资源短缺与气候变化加剧迫使科学家寻求创新性解决方案。微生物脱盐电池（Microbial Desalination Cell, MDC）作为一种生物电化学系统，结合了微生物燃料电池（MFC）与电渗析技术，能够同步处理废水并淡化盐水，且无需外部能源输入。然而，其实际应用受限于阴极氧还原反应（ORR）的缓慢动力学，导致能量转换效率低下。传统脱盐技术如反渗透能耗高达6–8 kWh/m³
，而MDC的自我供能特性使其成为可持续替代方案。

为解决ORR瓶颈，印度理工学院的研究团队设计了一种新型锶锰（Sr-Mn）双金属氧化物阴极催化剂，通过钙钛矿（SrMnO₃
）的独特氧空位结构提升催化活性，显著增强MDC的脱盐与产电性能。相关成果发表于《Desalination》。

关键技术方法

研究采用共沉淀法合成Sr-Mn双金属氧化物，通过扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征其理化性质；电化学性能通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）评估；MDC实验以NaCl溶液（10–25 g/L）为脱盐对象，采用序批式模式运行。

研究结果

催化剂制备
共沉淀法合成的Sr-Mn双金属氧化物中富含SrMnO₃
钙钛矿相，其晶格氧空位为ORR提供活性位点。XPS证实Mn³⁺
/Mn⁴⁺
氧化还原对的协同作用，促进电子转移。

电化学表征
CV显示Sr-Mn催化剂的极限电流（0.02 A）是裸碳毡（0.01 A）的2倍，且还原峰负移，表明ORR动力学增强；EIS表明电荷转移电阻显著降低，归因于钙钛矿的高导电性。

MDC性能
Sr-Mn催化剂使MDC在25 g/L盐度下实现92%脱盐效率和81.2% COD去除率，开路电压达909 mV，优于裸阴极系统。钙钛矿的四电子ORR路径（生成OH^?
）是性能提升的关键。

结论与意义

该研究证实Sr-Mn双金属氧化物（尤其是SrMnO₃
）可作为高效ORR催化剂，通过优化氧空位和电子传递路径，显著提升MDC的脱盐与产电性能。其低成本（仅为铂催化剂的0.16倍）和环境友好特性，为大规模应用铺平道路。未来需进一步探索钙钛矿在复杂水质中的稳定性，以及与其他生物电化学系统（如MEC、MRC）的兼容性。

（注：全文数据与结论均基于原文，未添加非原文信息。）