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电气石/膨润土修饰阴极微生物燃料电池效能研究

张嵘  
【摘要】:目前环境问题和能源问题严重影响着经济的发展和人类的生活。环境问题日益严重,能源短缺也已成为不可改变的事实。而微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)作为一种新型的能量转换装置,它既可以降解有机物,同时还可以产生电能,在近些年得到了众多研究者的重视。微生物燃料电池利用的燃料广泛、反应条件温和、能量转换效率高,而且在反应过程中无需其它能量输入。但是它还存在很多缺点,如产电效率低、输出功率低等。影响微生物燃料电池稳定运行的因素有很多,如接种的微生物、阳极的底物、阴极的催化性能、质子交换膜等。其中阴极的催化性是影响其效率的主要因素之一,目前阴极使用的催化剂主要是Pt等贵金属,由于其本身比较昂贵,而且长期使用后会在表面发生钝化而影响催化性能。最近研究结果表明阴极以微生物作为催化剂,能够催化阴极的反应(一般为还原氧气)。生物阴极不仅具有高的催化性能,而且微生物在充足的营养条件下能够不断的繁殖,能够保证阴极催化性的连续,此外,微生物在满足自身繁殖的同时还能够降解污染物。因此,寻找一种高电导率、高生物适应性以及能够加强生物催化性能的阴极材料成为了微生物燃料电池研究的热点。本文针对生物阴极的电极材料做了如下研究。 (1)本文的2、3章中以电气石和聚苯胺为材料,利用电化学方法来修饰石墨电极。利用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、循环伏安法(CV)和交流阻抗(EIS)对制备电极的微观结构和电化学性能进行表征。然后以石墨电极、聚苯胺修饰的石墨电极和聚苯胺、电气石共同修饰的石墨电极作对照实验,分别为双室MFC反应器1、2和3的生物阴极材料。当反应器外电路电阻控制在800Ω时,反应器1、2和3的最大输出电压稳定在0.20±0.005V,0.26±0.005V和0.37±0.005V,同时反应器1、2和3的最大功率密度分别为54mW/m2,138mW/m2和266mW/m2。而循环伏安曲线(CV)的结果也表明聚苯胺、电气石修饰的电极材料催化性能优于另外两种电极材料。 (2)本文的4、5章中以膨润土为修饰碳布电极的材料,PTFE为粘结剂将膨润土粘附于碳布上,然后以扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、线性扫描伏安曲线(LSV)和循环伏安曲线(CV)表征电极的微观结构以及电化学性能。然后以制备的电极作为空气阴极MFC阴极的电极材料。其中碳布电极、膨润土单侧修饰的碳布和膨润土双侧修饰的碳布为空气阴极MFC反应器1、2和3的生物阴极材料,以考察经过膨润土修饰的电极对空气阴极MFC的影响。电池的电压、极化曲线、功率密度等电化学参数的结果表明反应器2的性能最佳,其中反应器1、2和3的最大电压分别为0.048V、0.095V和0.056V,最大功率密度为12、33和171mW/m2。膨润土修饰碳布提高了阴极对氧气的吸附能力,提高了阴极的催化性能,进而也提高了空气阴极MFC的性能。


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