微生物燃料電池中OH﹣和O2陰極的傳質過程與影響因素分析.pdf

1、微生物燃料電池技術（Microbial Fuel Cells，MFCs）是將化學能直接轉化成電能的裝置，因其具有處理廢水的同時回收清潔能量電能的優(yōu)勢，吸引了研究人員的廣泛關注。在MFCs的研究過程中，系統(tǒng)產能的提高和放大化應用是亟待解決的瓶頸問題。MFCs陰極性能的優(yōu)化是解決這一瓶頸問題的重要因素。本課題為揭示陰極傳質過程和提升氧還原反應速率，結合微觀測量與反應動力學機理，揭示了影響陰極反應速率的關鍵因素，探討了促進陰極反應的條件，為進

2、一步研究陰極反應提供了機理依據(jù)。
　　為研究陰極傳質及生物膜對陰極性能的作用機理及陰極界面的微觀反應過程，采用可原位測量且不破壞物質結構的微電極系統(tǒng)，對陰極界面的O2、OH–、H+和氧化還原電位等進行了測定。以輥壓陰極為研究對象，考察其催化層表面附著生物膜前后的界面反應過程和氧還原性能。設計了針對界面?zhèn)髻|測定適用的半反應系統(tǒng)，采用鉑片作為對電極，培養(yǎng)基為50 mM的磷酸鹽緩沖溶液，測量體系為三電極體系，通過微電極系統(tǒng)對電極的界面反

3、應進行測試，同時，利用電化學工作站對陰極進行恒電位設定，記錄同步的計時電流變化情況。
　　試驗結果表明：陰極傳質與陰極氧還原反應速率有著密切關系。陰極無膜時，設定的恒電位值越負，陰極產生的電流越大，在-0.3 V下電極反應電流為7 mA，比-0.1 V時電流高出133％，此時陰極發(fā)生的反應較為劇烈。在大的電流條件下，陰極pH值由7.0升高到10.2，氧氣濃度達到4.3 mg/L。電解液pH值試驗結果表明，較強的溶液堿性會加大氧氣在

4、陰極內部的傳質系數(shù)，促進氧氣向體系內部擴散。高濃度的氧氣使陰極氧化還原電位呈還原性，此時，陰極具有較強的還原能力。
　　當陰極表面附著生物膜后，在-0.3 V條件下，電流較無膜時下降了57%，生物膜內部pH值持續(xù)累積，達到13.5。檢測到的陰極界面氧氣值濃度幾乎為0，氧氣含量降低，氧化還原電位升高240 mV，陰極還原性能下降?？梢姡锬げ粌H對氧氣有巨大的消耗作用，還抑制了O2和OH–向主體溶液的傳質，不利于氧還原反應的進行。<