收藏本站
《华南理工大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

功能化碳纳米管材料在微生物燃料电池中的应用研究

莫光权  
【摘要】:新世纪,随着能源匮乏和环境污染问题的加剧,新的能源开发和利用技术备受瞩目。微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是利用微生物作为催化剂将有机物中的化学能直接转变为电能的装置。微生物燃料电池技术独特的产能方式为实现合理解决能源危机以及水体污染问题提供了新的思路。目前,关于微生物燃料电池的研究尚处于起步阶段,微生物燃料电池技术的发展仍然面临许多挑战。其中,产电性能差是限制该技术商业化和工程实际应用的主要障碍。 针对目前微生物燃料电池技术存在的主要问题,本论文以典型的大肠杆菌微生物燃料电池作为研究对象,首先抓住影响电池产电性能的关键,即电池阳极中微生物氧化底物产生电子以及电子传递的过程,进一步明确了电池阳极产电过程中的一些重要影响因素。然后,本论文成功构建起典型的双室型大肠杆菌微生物燃料电池,并从高性能电极材料的制备和应用出发,解决微生物燃料电池阳极和阴极中存在的问题和不足,提高电池的功率密度,改善电池的产电性能。具体来说本论文的研究结果概括如下: (1)细胞膜的导电性是电池阳极电子跨膜传递过程的重要影响因素,增加膜的导电性可促进电子的跨膜传递从而改善电池阳极的产电过程。 (2)在电池阳极中,电极表面的电场效应对大肠杆菌在厌氧条件下直接氧化有机底物产生电流的过程具有较大影响。当阳极施加+0.5V的电压时,可对大肠杆菌的直接产电能力进行有效驯化,缩短大肠杆菌直接产电所需的时间,并同时大幅度地提高阳极产生的电流。 (3)周期放电过程可提高大肠杆菌微生物燃料电池的产电性能。经过21次周期放电后全电池的内阻逐渐从6200Ω降低到300Ω,最大功率密度从7.16 mWm~(-2)增大到726.85mWm~(-2)。与常规运行模式下的电池相比,周期放电过程后的电池内阻降低了300Ω,电池的最大功率密度比常规模式高出了50%。 (4)以碳纸表面负载铂修饰多壁碳纳米管复合物作为阳极构建电池可以极大的改善电池的产电性能。电池的开路电压,内阻和最大功率密度分别为:0.90V,200Ω和4302.22mWm~(-2)。四个该类型的电池串联后可点亮一个发光二极管。此外,该类型电池的还具有稳定的放电性能,电池可负载500Ω恒定电阻运行三个小时不出现功率衰减。(5)二氧化锰修饰碳纳米管的复合物在中性的缓冲溶液中对氧气的还原反应具有较好的催化活性,当电压低于0.1V时,氧气的还原电流迅速增大,电压到达-0.2V左右时,出现氧气的还原电流峰。使用该复合物作为阴极材料构建微生物燃料电池时,电池的开路电压,内阻和最大功率密度分别为:0.76V,700Ω和1805.52mWm-2。该类型电池的开路电压和最大功率密度比阴极使用商业化Pt/C催化剂构建的电池还要高,这使二氧化锰修饰碳纳米管复合物可作为一种新型廉价高效的阴极材料替代昂贵的Pt/C催化剂。但是,该类型电池的内阻较大,放电性能较差,二氧化锰修饰碳纳米管复合物的导电性和稳定性仍需进一步改善。 (6)酞菁铁衍生物,iron(III)tetrasulfophthalocyanine(FeTSPc)能够通过π-π共轭作用吸附到单壁碳纳米管(SWCNTs)表面形成FeTSPc/SWCNTs复合物。该复合物对氧气的还原具有很好的催化活性,电压低于0.2V时就会出现氧气还原反应的响应电流,电压达到-0.02V左右时出现氧气的还原电流峰。使用FeTSPc/SWCNTs复合物作为阴极催化剂构建的微生物燃料电池,开路电压可达0.77V。电池的内阻和最大功率密度分别为:400Ω和1898.90mWm-2。负载500Ω恒定电阻时,电池能够稳定运行140分钟不出现功率衰减。电池中,使用FeTSPc/SWCNTs复合物催化剂的效果比使用Pt/C催化剂的效果好。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王强华;;碳纳米管浓缩物在复合材料中的实际应用[J];玻璃钢;2011年02期
2 ;碳纳米管内壁参与化学反应首次被发现[J];化学工业与工程;2011年05期
3 ;纳米衣[J];文苑;2011年09期
4 郑冬冬;;新型碳纳米管的薄膜晶体管问世[J];半导体信息;2011年02期
5 陈梅;;日本开发出可粘贴生物燃料电池[J];电源技术;2011年07期
6 于金刚;黄笃树;黄可龙;刘素琴;曾冬铭;;碳纳米管在药物载体领域的进展[J];化学通报;2011年08期
7 徐苏莉;杨保俊;俞志敏;吴克;刘盛萍;;盐桥管径对微生物燃料电池处理啤酒废水的影响[J];包装与食品机械;2011年04期
8 陈旸;钱超;钱冬全;王麓;刘龙飞;;以天然混合菌接种的微生物燃料电池产电性能研究[J];常熟理工学院学报;2011年04期
9 张艺;王芳芳;许春玲;;微生物燃料电池在废水处理中的应用进展[J];能源与环境;2011年03期
10 王秀艳;徐占林;孔治国;;尿酸在聚直接蓝-71/碳纳米管复合膜修饰电极上的电化学行为[J];广东化工;2011年06期
11 王晋宝;田美灵;张洪武;郭旭;;单壁碳纳米管的耦合行为研究[J];力学季刊;2011年02期
12 黄秋玉;曾效舒;吴集才;周国华;;碳纳米管/镁锌复合材料在氯化钠溶液中的腐蚀行为[J];热加工工艺;2011年12期
13 陈乘;纪雪梅;周谦;余书勤;;几种碳纳米管对小鼠呼吸系统的影响[J];安徽农业科学;2011年21期
14 蔺向阳;骞伟中;李达;潘仁明;;碳纳米管在双基推进剂中的分散技术[J];固体火箭技术;2011年03期
15 吕俊峰;刘华;;受限于碳纳米管中水分子特性的分子动力学模拟研究[J];广州化工;2011年13期
16 王宝;江凤;舒春英;蒋礼;王春儒;;n型金刚石薄膜催化生长碳纳米管[J];中国科学:化学;2011年08期
17 薛伟;尹桂;;TPU/MWCNTs复合膜的制备及性能研究[J];科技致富向导;2011年23期
18 陈彦霖;王晋宝;周卫;李菲菲;唐志波;;碳纳米管的振动研究进展[J];浙江海洋学院学报(自然科学版);2011年03期
19 曾青华;董新法;;碳纳米管金属催化剂在加氢脱氢反应中的应用[J];高分子通报;2011年06期
20 欧建华;韩强;;悬臂碳纳米管纯弯问题的非局部弹性解[J];科学技术与工程;2011年24期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 胡业旻;殷利民;曹威;李瑛;朱明原;白琴;;电晕放电等离子体增强化学气相沉积法合成氮掺杂碳纳米管[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第一卷)[C];2011年
2 孙瑞敏;赵辉;陈永;刘洋;赵海沨;;碳纳米管与环氧树脂共混工艺研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
3 李世胜;喻万景;侯鹏翔;刘畅;成会明;罗艳红;孟庆波;吕伟;吴思达;杨全红;;碳纳米管垂直阵列/石墨烯纸复合材料在锂离子电池和染料敏化太阳能电池中的应用[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 李曼;白树林;张杨飞;贾治勇;;不锈钢纤维/碳纳米管填充尼龙基复合材料的力学性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
5 刘夏;杨庆生;;网络碳纳米管复合材料的有效力学性能[A];复合材料:创新与可持续发展(下册)[C];2010年
6 周成飞;翟彤;曹巍;郭建梅;曾心苗;;碳纳米管/聚氨酯酰亚胺复合泡沫材料的制备与性能[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第4分册)[C];2010年
7 陈广新;毕丹;;碳纳米管的表面修饰及其改性聚乳酸的研究[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集(下册)[C];2010年
8 苏丹华;张玲;金磊;李春忠;;静电吸附制备玻璃布/碳纳米管增强体改性环氧树脂[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年
9 张文毓;;碳纳米管及其应用[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2003年
10 吕建伟;王万录;廖克俊;万步勇;张毅;;形变引发碳纳米管膜电阻变化的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;水做载体碳纳米管无所不能[N];大众科技报;2003年
2 记者 何德功;日用碳纳米管材料制成吉祥鸟“纸鹤”[N];新华每日电讯;2003年
3 何鸣;世界最大碳纳米管厂5月在日本投产[N];中国建材报;2010年
4 刘霞;吸入碳纳米管可影响人体免疫力[N];科技日报;2009年
5 本报记者 李宏乾;碳纳米管:性能独特前景诱人[N];中国化工报;2010年
6 记者 符王润 通讯员 曾晓舵 李洁尉 刘静;微生物燃料电池有很大挖掘空间[N];广东科技报;2010年
7 常丽君;碳纳米管电探针阵列获专利[N];科技日报;2011年
8 实习生 程凤;碳纳米管具有清洁污水的功能[N];科技日报;2011年
9 记者 王小龙;美制成碳纳米管增强型风电叶片[N];科技日报;2011年
10 何屹;新型碳纳米管纱扭曲能力提高千倍[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘丽娜;碳纳米管—双马来酰亚胺体系的摩擦磨损研究[D];浙江大学;2010年
2 徐立华;电晕等离子体改性碳纳米管及其在环氧树脂中的应用[D];浙江大学;2010年
3 梅蕾;碳纳米管/碳纤维多尺度结构制备及其界面增强效果研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 朱幸福;碳纳米管复合材料及碳纳米管为模板的纳米管的制备与性质研究[D];吉林大学;2011年
5 崔伟;表面修饰碳纳米管/环氧树脂复合材料的界面结构与性能[D];华中科技大学;2011年
6 蒋辽川;半导体金属氧化物修饰碳纳米管的制备及其电催化、光电催化性能的研究[D];华南理工大学;2010年
7 亓钧雷;碳纳米管、碳纳米片、石墨烯及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年
8 姚胜红;碳纳米管/聚偏氟乙烯高介电纳米复合材料的显微结构控制与介电性能的关联[D];北京化工大学;2009年
9 韩占涛;表面活性剂悬浮碳纳米管在孔隙介质中的运移研究[D];中国地质科学院;2010年
10 叶丽娜;无机空心微纳米结构的制备及其应用[D];中国科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐勤;碳纳米管树状分子复合材料的制备及其性能研究[D];上海师范大学;2010年
2 祝丽娟;碳纳米管/二氧化硅/炭黑/溶聚丁苯橡胶硫化胶性能研究[D];南京理工大学;2010年
3 林德盟;高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针[D];南京理工大学;2010年
4 刘晓伟;碳纳米管及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年
5 陈晨;碳纳米管的功能化及其复合材料的电化学性能研究[D];北京化工大学;2010年
6 秦瑞红;气体膨胀液体的热力学性质研究及其在碳纳米管功能化修饰中的应用[D];郑州大学;2010年
7 林小静;碳纳米管的低温等离子体改性及其引发苯乙烯接枝共聚[D];天津大学;2010年
8 王蜜;聚硅氧烷接枝碳纳米管及聚合物复合材料的制备与性能[D];东北林业大学;2010年
9 曾静;自由基加成反应在碳纳米管和石墨烯修饰中的应用[D];兰州大学;2011年
10 郭大鹏;分子开关和十字形碳纳米管的输运性质研究[D];兰州大学;2011年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978