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海底生物燃料电池电极设计及催化降解作用研究

刘佳  
【摘要】:目前,能源短缺和环境污染是人类面临的两大难题。开发无污染的新能源对未来社会的发展起着至关重要的作用。海底生物燃料电池是一种新型无污染能源技术,利用细菌新陈代谢降解海泥中的有机物和无机物,从而产生电流。它应用在深海工作的低功率监测仪器中是非常有前景的。目前,海底生物燃料电池的输出功率还比较低,极大地限制了它的广泛应用。本工作中,我们通过设计电极形状和添加改性试剂等方法,以提高海底生物燃料电池的功率。 首先,我们研究了电极形状对海底生物燃料电池性能的影响。我们设计了网状、平板状、树枝状和柱状阳极,森林状和圆盘状的阴极,组装成电池,分组进行对比测试。结果表明,网状和树枝状阳极由于具有较小的扩散阻力,功率密度和极限扩散电流都比平板状阳极和柱状阳极高得多;森林状阴极因为具有三相界面,跟圆盘状阴极相比,输出功率密度提高了47%,极限扩散电流提高了161%。因此,电极形状可直接影响微生物燃料电池的性能。我们的研究结果对设计理想的电池外型具有指导意义。 其次,我们通过对石墨阳极进行化学改性来提高海底生物燃料电池的性能。一种新型改性试剂—Fenton试剂被加到石墨阳极上。改性后的阳极表面主要引入了羟基和羰基;接触角从82°减小到48°,亲水性明显提高。塔菲尔曲线显示改性前后交换电流密度分别为0.05 A/m2,0.17 A/m~2。这表明电极的动力学活性显著增加。改性后,电池的最大输出功率密度比改性前提高了64%。引入的羟基和羰基充当了电子转移介体,明显提高了电极反应动力学活性,增加了阳极表面细菌吸附数量,加速了阳极反应,因而提高了电池性能。此种阳极材料有望用于海底生物燃料电池的开发。 最后,我们用网状电极组装成电池装置来降解海底沉积废物。通电后,我们定期检测沉积物中Fe~(3+), Mn~(2+), S~(2-)和有机碳含量的变化。结果显示,海底生物燃料电池对Fe~(3+), Mn~(2+)几乎没有催化降解效果;但能在一定程度上加速S2-和有机碳的降解。如果海底生物燃料电池输出功率进一步得到提高,降解效果会更明显。


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