3. Results and discussion3.1. Chara

3. Results and discussion
3.1. Characterization of the Mn–Co oxide cathodes
The crystalline structures of the synthesized Mn–Co oxides
were determined by XRD as shown in Fig. S1. The obtained patterns
showed that the samples had seven main planes of (111),
(220), (311), (440), (422), (511), and (440), attributable to
MnCo2O4 (pdf# 84-0482). The above results indicated that the pure
individual phase of Mn–Co oxides was successfully formed via the
solid state preparation method. The BET surface areas were found
to increase with the increase of Mn content. The BET surface areas
were determined to be 46.6, 92.33 and 149.7 m2/g for 0.5, 1 and 2
Mn/Co ratio, respectively.
The morphology and compositions of the cathode catalysts analyzed
by SEM showed that the application of Mn–Co oxide produced
structures having filamentous shape (Fig. S2a) which are
different from the Pt-coated cathode which have surface with a flat
shape (figure not shown). For the Mn–Co oxide catalysts, the filamentous
structures increase the surface area and are easier for
the organic substrates to be adsorbed on the cathodes. The high
surface areas of Mn–Co oxide catalysts could enhance the oxygen
absorption and electron acceptance on the catalysts/carbon surface.
With the filamentous surface properties and the existence
of oxygen vacancies, the Mn–Co oxide is expected to substantially
increase the oxygen reaction rate and electron acceptance capability.
On the other hand, the specific pore and tunnel structures of
the Mn–Co oxide catalysts facilitated bacterial growth and adhesion.
On the other hand, biofilm was clearly observed on the cathode
after 300 h of operation (Fig. S2b).
3.2. Electrochemical study of oxygen reduction
The open circuit potential (OCP) was measured to evaluate the
electrochemical or biochemical reaction rates on the cathode. The
higher OCP values are related to a higher reaction rate (Logan et al.,
2006). The results presented in Table 1 revealed that the OCPs of
the air cathode catalysts were increased by increasing the atomic
ratio of Mn/Co, with a slightly lower value measured for Pt catalyst.
The higher OCP with Mn/Co ratio of 2 could be caused by increased
amounts of oxygen adsorbed on the catalyst/carbon surface as a result
of higher surface area.
The oxygen reduction activities of the Mn–Co oxides and Pt catalyst
were compared using a LSV by scanning potential from 0.4 to
0.6 V and the resulting currents are shown in Fig. 1. The onset
potentials of MnCo-2 and MnCo-1 in LSV reduction curves were
significantly shifted to more positive value as compared with those
of MnCo-0.5. The MnCo-2 has a more positive onset potential than
that of MnCo-1 (0.10 vs. 0.05 V), therefore representing higher
limiting current density due to a metal catalyst. The available results
showed that the order of the reduction current produced by
the Mn–Co oxide catalysts was MnCo-2 > MnCo-1 > MnCo-0.5,
which was consistent with the OCP results (Table 1). The combined
results of the LSV and OCP indicated that the MnCo-2 has the highest
catalytic activity. Moreover, among the three samples, MnCo-2
had the highest current at the peak potential, likely related to its
highest BET surface area, which would favor more adsorption of
O2 on the surface of MnCo-2. Thus, it can be expected that, among
the three samples, MnCo-2 is the most effective cathode catalytic
material for MFC, which is determined by the interactive effect of
BET surface area.
On the other hand, previous studies reported good oxygen
reduction activities from Mn–Co oxides in alkaline media, in which
the electrochemical reduction of O2 occurred through the oxidation
of Mn (III), cyclically produced by reduction of Mn (IV) (Lima et al.,
2006; Zhang et al., 2007). Consistent with previous mechanism in
the catalyzed electrodes, Roche and Scott (2009) investigated manganese
oxides which were chemically deposited onto high specific
surface area carbon as a cathode catalyst. They stated that MnO2
was initially reduced to MnOOH, which was consequently reoxidized
to Mn (IV) by oxygen. Due to the resistive effects induced by
the low concentration of hydroxide ions in the solution, the ORR
mechanism was difficult to determine at neutral pH. However,
the mechanism for oxygen reduction at neutral pH tended to be
a two-electron path because more peroxide was formed per molecule
of reduced oxygen in the ORR potential range.
3.3. The performance of MFC with different cathodic catalysts
The preliminary results from above tests demonstrated that the
Mn–Co oxide had relatively high electrochemical characteristics as
compared to a Pt-coated cathode, indicating that they could be
used as the cathodic catalysts in MFCs. In the next step, the Mn–
Co oxide catalysts were examined in MFC and compared with Pt
in terms of power density and substrate removal. The MFCs were
operated in a batch mode for about 300 h with the synthetic
molasses wastewater as the substrate (six consecutive batches).
A refill was done within each cycle before the voltage dropped below
30 mV.
Among the three Mn–Co oxide cathode catalysts, the MnCo-2
catalyst exhibited the maximum power density generation
113 mW/m2 at cell potential 279 mV (at 0.5 kX external resistance),
which were lower than those for the Pt catalyst
(148 mW/m2 at 325 mV) as shown in Table 1. The MnCo-1 and
MnCo-0.5 catalysts showed lower cell potential, with the voltages
of 229 and 198 mV, respectively. The corresponding power densities
were 77 and 57 mW/m2, respectively. The higher cell potential
of MnCo-2 as compared to the other Mn–Co oxide cathode catalysts
could be explained by its lower Rin (Table 1). It has been proven
that MFCs performance is restricted by internal resistances,
also known as cathodic ohmic overpotentials (Zhao et al., 2006;

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

3. ผลลัพธ์ และสนทนา3.1. คุณสมบัติของ cathodes ออกไซด์ Mn – บริษัทโครงสร้างผลึกของออกไซด์ Mn – บริษัทสังเคราะห์ถูกกำหนด โดย XRD แสดงในฟิก S1 รูปแบบได้รับพบว่า ตัวอย่างที่มีเครื่องบินหลักเจ็ดของ (111),(220), (311), (440), (422), (511), และ (440), รวมMnCo2O4 (pdf # 84-0482) ผลลัพธ์ข้างต้นระบุที่บริสุทธิ์แต่ละระยะของออกไซด์ Mn – Co ก่อตั้งสำเร็จผ่านการวิธีเตรียมของแข็ง พื้นที่ผิวใกล้เคียงพบเพิ่มขึ้น ด้วยการเพิ่มเนื้อหา Mn พื้นที่ผิวของเดิมพันได้กำหนดให้ 46.6, 92.33 และ 149.7 m2/g 0.5, 1 และ 2อัตราส่วน Mn/Co ตามลำดับสัณฐานวิทยาและองค์ของสิ่งที่ส่งเสริมแคโทดที่วิเคราะห์โดย SEM พบว่า แอพลิเคชันของออกไซด์ Mn – บริษัทผลิตโครงสร้างที่มีรูปร่าง filamentous (ฟิก S2a) ซึ่งเป็นแตกต่างจากแคโทด Pt เคลือบที่มีพื้นผิวแบนด้วยรูปร่าง (ไม่แสดงรูป) สำหรับ Mn – บริษัทออกไซด์สิ่งที่ส่งเสริม การ filamentousโครงสร้างเพิ่มพื้นผิว และง่ายขึ้นสำหรับวัสดุอินทรีย์จะเป็น adsorbed บน cathodes สูงพื้นที่พื้นผิวของสิ่งที่ส่งเสริมออกไซด์ Mn – บริษัทสามารถเพิ่มออกซิเจนในยอมรับการดูดซึมและอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของสิ่งที่ส่งเสริม/คาร์บอนด้วยคุณสมบัติผิว filamentous และดำรงอยู่ของออกซิเจนตำแหน่ง ออกไซด์ Mn – บริษัทคาดว่าจะมากเพิ่มออกซิเจนปฏิกิริยาอัตราและอิเล็กตรอนยอมรับความสามารถในทางกลับกัน เฉพาะรูขุมขน และโครงสร้างของอุโมงค์Mn – บริษัทออกไซด์สิ่งที่ส่งเสริมอำนวยความสะดวกยึดเกาะและเจริญเติบโตของแบคทีเรียบนมืออื่น ๆ biofilm ได้ชัดเจนสังเกตบนแคโทดหลังจาก h 300 การ (ฟิก S2b)3.2 การศึกษาไฟฟ้าลดออกซิเจนเปิดวงจรศักยภาพ (OCP) ถูกวัดประเมินอัตราปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี หรือชีวเคมีในแคโทด ที่ค่า OCP สูงเกี่ยวข้องกับอัตราปฏิกิริยาสูง (โล et al.,2006) ผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 1 การเปิดเผยที่ OCPs ของเพิ่มอีก โดยการเพิ่มการอะตอมอากาศแคโทดสิ่งที่ส่งเสริมอัตราส่วนของ Mn/Co มีค่าต่ำกว่าวัดเศษ PtOCP สูง ด้วยอัตราส่วน Mn/Co 2 อาจเกิดจากเพิ่มขึ้นจำนวนออกซิเจนที่ adsorbed บนพื้นผิวของเศษ/คาร์บอนดังนั้นของพื้นที่ผิวสูงกิจกรรมลดออกซิเจนของ Mn – บริษัทออกไซด์และเศษ Ptได้เปรียบเทียบใช้กับ LSV ด้วยศักยภาพจาก 0.4 เพื่อการสแกน0.6 V และกระแสได้จะแสดงใน Fig. 1 เริ่มมีศักยภาพ MnCo 2 และ MnCo-1 ในโค้งลด LSVอย่างมีนัยสำคัญจากค่าบวกมากขึ้นเมื่อเทียบกับผู้MnCo-0.5 MnCo-2 ได้เริ่มบวกขึ้นไปกว่าที่ MnCo-1 (0.10 เทียบกับ 0.05 V), จึงแสดงสูงจำกัดความหนาแน่นปัจจุบันเนื่องจากเศษโลหะ ผลการใช้พบว่าลำดับของการลดที่ปัจจุบันผลิตโดยMn – บริษัทออกไซด์สิ่งที่ส่งเสริมมี MnCo 2 > MnCo-1 > MnCo-0.5ซึ่งไม่สอดคล้องกับผลลัพธ์ OCP (ตาราง 1) การรวมผลลัพธ์ของ LSV และ OCP ระบุว่า MnCo-2 ได้ที่สูงที่สุดจากกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ ในตัวอย่าง 3, MnCo-2มีกระแสสูงสุดที่จุดสูงสุดที่เป็นไปได้ มีแนวโน้มที่เกี่ยวข้องกับการเดิมพันสูงที่สุดจากพื้นที่ผิว ซึ่งจะชอบดูดซับเพิ่มมากขึ้นO2 บนพื้นผิวของ MnCo-2 ดังนั้น จึงสามารถคาดหวังที่ ระหว่างตัวอย่าง 3, MnCo-2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดมีประสิทธิภาพสูงสุดวัสดุสำหรับ MFC ซึ่งเป็นไปตามผลของการโต้ตอบพื้นที่ผิวที่ใกล้เคียงบนมืออื่น ๆ การศึกษาก่อนหน้านี้รายงานออกซิเจนที่ดีกิจกรรมลดจากออกไซด์ Mn – บริษัทสื่อด่าง ที่ลดไฟฟ้าของ O2 ที่เกิดขึ้นผ่านการออกซิเดชันของ Mn (III), cyclically ผลิต โดยการลดของ Mn (IV) (ลิมา et al.,ปี 2006 เตียว et al., 2007) สอดคล้องกับกลไกก่อนหน้านี้ในหุงตกระบวน Roche และสก็อต (2009) สอบสวนแมงกานีสออกไซด์ซึ่งสารเคมีถูกฝากไปยังเฉพาะสูงพื้นที่ผิวคาร์บอนเป็นเศษแคโทด พวกเขากล่าวที่ MnO2เริ่มถูกลด MnOOH ซึ่งเป็น reoxidized ดังนั้นกับ Mn (IV) โดยออกซิเจน เนื่องจากผลทานที่เกิดจากความเข้มข้นต่ำสุดของประจุไฮดรอกไซด์ในการแก้ปัญหา การ ORRกลไกยากที่จะกำหนดที่ค่า pH เป็นกลาง อย่างไรก็ตามกลไกการลดออกซิเจนที่ค่า pH เป็นกลางที่มีแนวโน้มที่จะเส้นทางสองอิเล็กตรอนเนื่องจากเพอร์ออกไซด์เพิ่มเติมก่อต่อโมเลกุลของออกซิเจนลดลงในช่วงเกิด ORR3.3.ประสิทธิภาพของ MFC สิ่ง cathodic ต่าง ๆ ที่ส่งเสริมแสดงผลลัพธ์เบื้องต้นกทดสอบที่การออกไซด์ Mn – บริษัทมีลักษณะไฟฟ้าค่อนข้างสูงเป็นเมื่อเทียบกับการเคลือบ Pt แคโทด ระบุว่า พวกเขาอาจจะใช้เป็นสิ่งที่ส่งเสริม cathodic ในเดอร์ ในขั้นตอนต่อไป Mn –บริษัทออกไซด์ได้ใน MFC และเปรียบเทียบกับ Ptในรูปแบบของพลังงานความหนาแน่นและพื้นผิวเอาไว้ เครื่องมัลติฟังก์ชั่นได้ดำเนินการในโหมดชุดงานสำหรับประมาณ 300 h กับตัวหนังสังเคราะห์น้ำเสียกากน้ำตาลเป็นพื้นผิว (ชุดติดต่อกันหก)เติมสินค้าเสร็จในแต่ละรอบก่อนแรงดันไฟฟ้าลดลงด้านล่าง30 mVระหว่างสาม Mn – บริษัทออกไซด์แคโทดสิ่งที่ส่งเสริม MnCo-2เศษจัดแสดงการสร้างความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด113 mW/m2 ที่เซลล์ 279 เป็น mV (ที่ 0.5 kX ภายนอกต้านทาน),ซึ่งคนที่ต่ำกว่าสำหรับเศษ Pt(mW 148 m2 ที่ 325 mV) ดังแสดงในตารางที่ 1 MnCo-1 และสิ่งที่ส่งเสริม MnCo-0.5 พบมีศักยภาพ ด้วยแรงดันต่ำกว่าเซลล์ของ 229 และ 198 mV ตามลำดับ ความหนาแน่นของพลังงานที่เกี่ยวข้องได้ 57 และ 77 mW/m2 ตามลำดับ เซลล์สูงขึ้นเป็นไปได้MnCo-2 เมื่อเทียบกับอื่น ๆ Mn – บริษัทออกไซด์แคโทดสิ่งที่ส่งเสริมสามารถอธิบาย โดยริ้นต่ำ (ตารางที่ 1) มันได้รับการพิสูจน์ประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องมัลติฟังก์ชั่นที่ถูกจำกัด โดยความต้านทานภายในนอกจากนี้ยัง เรียกว่า cathodic แบบโอห์มมิค overpotentials (เจียวและ al., 2006