微生物燃料電池用分離膜及電極材料研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)是一類利用微生物降解有機(jī)物同時(shí)產(chǎn)電的技術(shù)，在水處理方面具有良好的應(yīng)用前景。但目前MFC的產(chǎn)電功率僅為10-2～101W/m2,應(yīng)用受到很大限制。分離膜及電極材料是MFC的重要組成部分，對(duì)MFC的產(chǎn)電特性影響很大，因此本論文制備了兩類離子交換膜材料及一類β-MnO2改性石墨氈電極材料，探討了它們?cè)贛FC中的應(yīng)用表現(xiàn)。
　　首先，制備了一系列不同離子交換容量(IEC)的側(cè)

2、鏈型磺化聚芳醚(sSPFAE)陽(yáng)離子交換膜，研究了該系列膜在雙室MFC中產(chǎn)電性能并與商用陽(yáng)離子交換膜(CEM)進(jìn)行了對(duì)比。sSPFAE膜的IEC為0.97～1.56mmol/g，在30℃時(shí)吸水率為20.9～41.7％，電導(dǎo)率達(dá)到27.3～60.5mS/cm，厚度約為80μm，高于商用膜（22mS/cm，420μm）。制備的膜也具有良好的尺寸穩(wěn)定性(＜2％)。對(duì)采用sSPFAE膜的MFC，根據(jù)峰功率密度法及極化曲線斜率法得到的MFC內(nèi)阻約

3、為29～64Ω，隨著IEC的升高而降低，庫(kù)倫效率達(dá)到47.7～55％，其中sSPFAE-1.56膜的最大功率密度達(dá)到657.3mW/m2,且sSPFAE膜均表現(xiàn)出優(yōu)于商用膜的產(chǎn)電性能。利用模擬等效電路對(duì)整個(gè)MFC系統(tǒng)進(jìn)行EIS分析，結(jié)果表明陽(yáng)極電荷轉(zhuǎn)移阻抗占這類MFC系統(tǒng)總內(nèi)阻的76～88％。結(jié)合循環(huán)伏安曲線、電化學(xué)阻抗譜測(cè)試及電極電勢(shì)分析結(jié)果，表明分離膜對(duì)兩極室間物質(zhì)傳遞及陽(yáng)極電荷轉(zhuǎn)移阻抗有較大的影響。
　　其次，制備了一系列不

4、同IEC的無(wú)規(guī)型季銨化聚芳醚砜(rQPAES-OH)陰離子交換膜，研究了該系列膜在雙室MFC中產(chǎn)電性能并與商用陰離子交換膜(AEM)進(jìn)行了對(duì)比。rQPAES-OH膜的IEC為1.01～1.64mmol/g，在30℃時(shí)吸水率為33～58％，電導(dǎo)率達(dá)到14～22mS/cm，高于商用膜(21％，6.6mS/cm)。對(duì)采用rQPAES-OH膜的MFC，根據(jù)峰功率密度法及極化曲線斜率法得到的MFC內(nèi)阻約為62～150Ω，隨著IEC的升高而降低，其

5、中rQPAES-OH-1.64膜的最大功率密度達(dá)到506.6mW/m2,且rQPAES-OH膜均表現(xiàn)出優(yōu)于商用膜的產(chǎn)電性能。
　　最后，通過(guò)氧化還原法及超聲浸漬法制備了一系列不同負(fù)載量(5～12.7mg/cm2)的β-MnO2修飾石墨氈電極(CF-βMnO2)，利用XRD、CV、SEM及EIS對(duì)電極進(jìn)行了表征，并研究了該系列CF-βMnO2電極作為陰極材料在以空氣(O2)作為電子受體的雙室MFC中的性能。結(jié)果表明:CF-βMnO2