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微生物燃料電池中陰極材料的修飾及應(yīng)用研究，碩士學(xué)位論文，共62頁(yè)。
摘 要
微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)是一種以產(chǎn)電微生物為催化劑,利用生物電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電力,與此同時(shí)能夠降解污水中的有機(jī)物質(zhì)的新型產(chǎn)電裝置。成本高和輸出功率低一直是制約其大規(guī)模發(fā)展的兩大障礙,而MFC體系中的陰極電極和分離膜是這些問題的關(guān)鍵影響因素之一。因此,本文制備了不同修飾量的聚苯胺修飾電極和a-Mn02、(3-Mn02及Y-Mn02修飾電及,采用電化學(xué)方法如循環(huán)伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)及塔菲爾曲線(Tafel)測(cè)試修飾電極的電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與空白石墨氈電極相比,PANI修飾電極和Mn02修飾電極的電化學(xué)響應(yīng)和耐腐蝕性能增強(qiáng),氧化還原電流更高,內(nèi)阻明顯降低,從而電子傳遞速率加快。將其作為陰極的改性電極,運(yùn)行MFC,電池的輸出功率和產(chǎn)電性能均有顯著地提高。其中,(3-Mn02修飾電極MFC的開路電壓達(dá)676.7 mV,最大功率密度為58 mW/m2; PANI-160修飾電極MFC的最大功率密度達(dá)到262 mW/m2,優(yōu)于Mn02修飾電極,比未修飾電極MFC的17 mW/m2提高了 15倍多,電池體系的內(nèi)阻也從130 Q降低到75 Q。
以PAN-160為陰極材料,復(fù)合型聚醚砜類陰離子交換膜為分離膜,在雙室空氣陰極MFC運(yùn)行中,并與商業(yè)的AMI-7001陰離子交換膜的MFC進(jìn)行比較,對(duì)該系列膜的產(chǎn)電性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明:將PANI-160修飾電極用于陰離子交換膜MFC中,復(fù)合膜表現(xiàn)出優(yōu)良的產(chǎn)電性能,輸出功率均高于商業(yè)膜AMI-7001,其中最大功率密度可達(dá)172 mW/m2,降低了電池的內(nèi)阻,縮短了電池體系的啟動(dòng)周期。其中,復(fù)合膜rQPES2/l-(7/3)在MFC中,/T?路電壓(OCO可達(dá)到593.9 mV,電池內(nèi)阻為100 Q,低于AMI-7001 (130 Q);在電壓為398.5 mV、電流密度為265.7 mA/cm2時(shí),最大功率密度達(dá)到106mW/m2。
以PAN-160改性空氣陰極,運(yùn)行復(fù)合型磺化聚芳醚砜類陽(yáng)離子交換膜MFC,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:雙室型空氣陰極MFC運(yùn)行過程中,產(chǎn)電性能隨著磺化聚合物SDFDPS含量的增加而增加,且SPAES膜的輸出功率均優(yōu)于商業(yè)膜AMI-7001,其中R5/5作為電池分離膜的 路電壓高達(dá)587.6 mV,電池的內(nèi)阻為50 Q;且R5/5在電壓281.2 mV,電流密度為1124.6 mA/cm2時(shí),功率密度峰值高達(dá)316.2 mW/m2。說(shuō)明改性陰極與SPAES類陽(yáng)離子交換膜在電池系統(tǒng)中有很大的發(fā)展甜景。
關(guān)鍵詞:微生物燃料電池,修飾電極,電化學(xué),陰極,產(chǎn)電性能
1緒論
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,地球上的可用資源在日趨短缺,化石燃料被急劇消耗,在過去的一百多年中,化石燃料支持著產(chǎn)業(yè),是促進(jìn)各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源的來(lái)源,但因?yàn)樗遣豢稍偕馁Y源,預(yù)期在未來(lái)將面臨枯竭[’]。同時(shí),過度地開采與利用化石燃料,破壞了環(huán)境,并加劇了能源與環(huán)境的問題。目前的能源系統(tǒng)已無(wú)法滿足未來(lái)社會(huì)對(duì)清潔、高效、安全、經(jīng)濟(jì)能源體系的要求。能源的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn),因此,建立“可持續(xù)”的能源模式,大力研究和開發(fā)對(duì)環(huán)境友好及能源轉(zhuǎn)化率高的新能源技術(shù),是和諧社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的必然選擇。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)作為綠色環(huán)保型的新能源是國(guó)際研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一,具有低能耗、燃料來(lái)源廣泛、環(huán)境友好及反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn),近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。
1.1微生物燃料電池的發(fā)展
微生物燃料電池(MFC)是一種新型的清潔能源技術(shù),以產(chǎn)電微生物為催化劑,以微生物替代昂貴的化學(xué)催化劑,將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型產(chǎn)電裝置[2】。特別是MFC利用微生物產(chǎn)電的同時(shí),還可以生物處理生活工業(yè)污水,實(shí)現(xiàn)了資源化與廢棄物處置的雙重功效。早在20世紀(jì)初,英國(guó)植物學(xué)者Potter就發(fā)現(xiàn)了微生物(酵母和大腸桿?菌)氧化底物過程中可以產(chǎn)生電流,從此 始了微生物產(chǎn)電的MFC的研究⑴。
20世紀(jì)80年代,將氧化還原介體應(yīng)用于MFC中,輸出功率得到了很大的提高,由此促進(jìn)了 MFC的發(fā)展。然而,氧化還原介體的價(jià)格昂貴,有毒且對(duì)環(huán)境有害等限制了 MFC的進(jìn)一步發(fā)展[3j。隨后,研究人員發(fā)現(xiàn),一些微生物可以在沒有介導(dǎo)的條件下將電子轉(zhuǎn)移到電極至此,MFC的研究取得了突破性進(jìn)展,從雙室到單室,從質(zhì)子分離膜到無(wú)膜,使MFC從實(shí)驗(yàn)室研究應(yīng)用到實(shí)際有了理論依據(jù)。目前,MFC在許多方面都有很大的應(yīng)用前景,如:處理各類廢水、產(chǎn)氯、生物傳感器、心臟起搏器I7】及生物修復(fù)等方面。
......
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