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《北京工业大学》 2011年
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微生物燃料电池及介孔磷酸锆阳极材料的电化学研究

张领艳  
【摘要】:目前污水处理仍是一种消耗大量电能的处理技术,因此解决污水处理工程中的耗能问题,降低治污成本,对于广大污染严重的发展中国家来说尤为重要。微生物燃料电池能降低污水COD并且能产生电能,因而成为环境与新能源方面研究的热点。但由于产电性能低,电池内阻大以及受结构设计的限制使得微生物燃料电池不能适应大规模的污水处理。 制约微生物燃料电池输出功率的最大因素是发生在阳极上的电子传递过程。在微生物燃料电池最新的研究中,采用对微生物酶分子的蛋白质外壳进行修饰,将电极延伸至酶分子活性中心附近,以缩短电子传递的距离。随着纳米科学和技术的发展,研究者们发现一些纳米材料在微生物或酶的强化稳定和活化方面表现出了很大的潜力。磷酸锆(ZrP)类材料是近年逐步发展起来的一类多功能材料,具有良好的生物相容性,但磷酸锆的导电性能差限制了其作为阳极材料在燃料电池中的应用。 本论文研究的单室空气阴极微生物燃料电池(ACMFC),以石墨毡为阳极,Pt/C(铂/碳纸)为阴极,以空气中的氧为最终电子受体,简化了微生物燃料电池的装置,降低了电池内阻;阳极室采用开放式,不对阳极室通厌氧气体,降低了运行成本;论文研究了装置内流体条件、葡萄糖底物浓度等条件对电池产电性能的影响并评价污水处理效果。测试结果表明最佳水流流速为15.0 mL/min、最适葡萄糖底物的浓度为1.0 g/L,电池的最大功率为90.2 mW/m2。电池运行48 h,对模拟废水的COD去除率可达到81.6 %。 论文第三章分别以表面活性剂及XC-72为模板,磷酸为沉淀剂,通过调节磷酸的量采用水热法合成不同形貌的磷酸锆及ZrP/XC-72复合物。测试结果表明当磷酸的量大于2.4 mol/L时,可以合成厚度为5 nm~10 nm,大小200 nm~300 nm的六方形片状磷酸锆。当磷酸的量为1.2 mol/L时,可以合成具有3 nm介孔结构的无定形磷酸锆。对比片状磷酸锆、介孔磷酸锆及ZrP/XC-72复合物负载葡萄糖氧化酶的电化学性能,测试结果得到电子传递速率分别为1.3 s-1,1.6 s-1,2.0 s-1(扫速为100 mV/s),表明介孔结构比片状结构负载酶的效果好,而ZrP/XC-72复合物负载酶能明显提高电子传递速率。三种材料制备的电极表观负载酶的浓度分别为1.4×10-10 mol/cm2、6.6×10-11 mol/cm2、1.8×10-10 mol/cm2(扫速为100 mV/s),比文献报道的大1~2个数量级。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM911.4

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【参考文献】
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