低电位改性阳极制备及海泥电池在金属防腐中的探索研究

【摘要】：随着经济的发展和文明的进步，能源短缺成为了当今社会一个不可忽略的问题，同时，传统化石能源利用不充分而引发的环境污染及温室效应使得人们迫切需要开发新型的能源技术来解决这些问题。 海底沉积物微生物燃料电池（Benthic Sediment Microbial Fuel Cell, BMFC），简称海泥电池，一种新型的产能装置，它通过海底沉积物中微生物的催化作用将海泥中有机物所蕴含的化学能转化为电能。BMFC具有简单的结构，阳极埋在厌氧的海泥中，阴极置于上层海水中，阴阳极之间通过外部电路连接。BMFC产电技术以其良好的综合性能而得到了越来越多研究学者的青睐，但由于其自身功率密度输出较低等因素使得对其的研究停留在实验室水平，实际环境中应用也只能驱动一些小型的海洋检测仪器运行。 如何提高海底沉积物微生物燃料电池的输出功率成为了人们研究的焦点，通常的采用的方法有电池结构优化、采用新型电极材料等。阳极材料的表面结构和生物相容性等性质直接决定着有机物的氧化、表面细菌的附着、电子的传递等过程。所以，为提高BMFC的输出功率密度，在本文中采用了一种新型的铁改性石墨阳极构建BMFC，结果发现改性电极显著提高了电池的输出电压和输出功率。 本文采用了电解沉积的方法，制备了一种新型的低电位铁改性阳极材料，并研究了不同制备条件的电极在BMFC中的电化学性能，探索了最佳的试验参数。采用了XRD衍射、SEM、接触角等测试方法对铁改性石墨阳极材料进行了表征。电化学性能测试结果说明：电解时间15min，电解电流密度为178.9A/m2制备的改性阳极具有较低的电位-775mV，并持续稳定70天。该阳极具有良好的抗极化能力，其构建的BMFC输出功率密度显著提高，最大功率密度为997.3mW/m2，是普通石墨BMFC的13.5倍。这种新型的改性石墨阳极材料及改性方法有望在BMFC中得到广泛的应用。 外加电流阴极保护是一种海洋中常用的金属防腐措施，而实际的深远海环境中，该方法存在电源供给困难、电源持续时间短、维护成本高等问题。本文中将新型的电能供给装置BMFC运用于金属在海水中的腐蚀防护中，以解决阴极保护中存在的问题。本文中将304不锈钢试样作为BMFC的阴极，通过构建一个BMFC装置来实现在海洋环境中对金属的保护。自然腐蚀状态下不锈钢电位为-260mV，通电保护试样为-340mV。荧光显微镜(FM)和扫描电镜（SEM）观察结果表明两组试样表面微生物附着情况差别不大，阴极保护试样表面腐蚀程度较低。电化学阻抗曲线与极化曲线验证BMFC对不锈钢的保护效果，结果表明阴极保护状态不锈钢试样的耐腐蚀能力随时间的增加，耐蚀性增强，腐蚀电流密度Icorr约为自然腐蚀试样的0.4倍，腐蚀速率降低2倍多。说明了采用BMFC对304不锈钢阴极具有较好防腐效果。