提高微生物燃料電池性能的電極材料研究.pdf

1、近年來，能源危機(jī)和水污染問題日益突出，已成為制約人類生存和發(fā)展的重要因素之一。廢水中含有以可生物降解型有機(jī)物形式存在的能量，如果能在廢水處理的同時(shí)回收這部分能源將是最佳的選擇。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，簡(jiǎn)稱MFC)是一種利用微生物作為催化劑氧化有機(jī)物并直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的新型裝置。目前，該技術(shù)已被作為新型資源化技術(shù)應(yīng)周于廢水處理中，但因輸出功率低等核心問題仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
　　 在眾多影

2、響因素中，電極材料尤其是陽極材料對(duì)MFC性能及建設(shè)成本都具有非常重要的影響。我們除了選擇優(yōu)良的材料做陽極之外，對(duì)現(xiàn)有的陽極材料進(jìn)行改性也是重要的手段之一。目前，雖然已經(jīng)研究出一些陽極改性方法但是大多存在設(shè)備復(fù)雜、條件苛刻、制備時(shí)間過長(zhǎng)、實(shí)際應(yīng)用性差等問題。因此，針對(duì)以上問題本文選用單室空氣陰極MFC作為反應(yīng)器，探索了簡(jiǎn)單且易于工程應(yīng)用的電化學(xué)氧化法和電聚合制備導(dǎo)電聚合物涂層這兩種陽極改性方法，以實(shí)現(xiàn)MFC性能的提高。
　　 首先

3、，本文采用價(jià)格低廉的碳纖維布作為陽極材料，分別選取HNO3、NH4NO3和(NH4)2S2O8作為電解質(zhì)，利用電化學(xué)氧化方法(電流強(qiáng)度10mA，電解時(shí)間30min)對(duì)其進(jìn)行材料表面的改性。然后將改性前后的碳纖維布分別作為陽極啟動(dòng)4個(gè)MFCs，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，考察各自的性能。主要研究結(jié)論如下：第一，改性后MFC的功率密度得到提升，其中HNO3改性后功率密度為792mW/m2，比未改性的(552mW/m2)提高了43％;NH4NO3改性

4、后的功率密度也提高了33%達(dá)到736mW/m2。第二，改性后的MFC內(nèi)阻減小了。HNO3改性和NH4NO3改性的內(nèi)阻分別由改性前的158Ω降低到122Ω和125Ω，分別降低了23%和21%。第三，通過SEM、XPS和電化學(xué)分析等手段發(fā)現(xiàn)，改性提高了材料表面粗糙度和Nls/Cls比，電化學(xué)蝕刻作用和表面官能團(tuán)的引入可能是改性成功的主要原因和機(jī)理。第四，與之前的陽極改性方法相比，電化學(xué)氧化法具有成本低、操作條件溫和、易于工程應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

5、r>　　 其次，本文另以石墨氈為陽極材料，采用電聚合方法將納米級(jí)聚吡咯顆粒負(fù)載到石墨氈表面。以循環(huán)伏安掃描次數(shù)來控制反應(yīng)時(shí)間，其分別5CV(PPy-1)、10CV(PPy-2)、20CV(PPy-3)。實(shí)驗(yàn)考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚吡咯形貌的影響以及改性對(duì)MFC性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚吡咯顆粒尺寸大約在50nm左右，但隨著反應(yīng)時(shí)間的增加制備的納米顆粒呈現(xiàn)簇?fù)矶询B成團(tuán)的現(xiàn)象。未改性的MFC的功率密度最大為375mW/m2。反應(yīng)器PPy-2的