微生物燃料電池碳基電極的界面調(diào)控與電化學(xué)性能強(qiáng)化.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial fiiel cell, MFC）以產(chǎn)電微生物為催化劑將廢水中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種新型的污水處理與能源回收技術(shù)。單室空氣陰極MFC結(jié)構(gòu)簡單，能夠在無外力作用下直接吸取空氣中的氧氣，具有良好的應(yīng)用前景。目前MFC尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，制約MFC實(shí)用化的因素主要有三方面：電池功率密度偏低、構(gòu)造成本偏高和長期運(yùn)行穩(wěn)定性差。本論文針對(duì)MFC實(shí)用化的需求，通過調(diào)控陽極和陰極電化學(xué)反應(yīng)的界面特性，強(qiáng)化電

2、極的電化學(xué)性能，為提高M(jìn)FC的功率密度、降低構(gòu)造成本、提高電池的長期穩(wěn)定性提供理論和技術(shù)支持。
　　針對(duì)陽極材料電化學(xué)性能偏低、處理成本偏高的問題，提出了低成本、環(huán)保、高效的陽極改性方法。以甲酸、異丙醇、過氧化氫、次氯酸鈉預(yù)處理碳布陽極，降低了C-O和吡咯氮或吡啶氮（N-5）官能團(tuán)的含量，促進(jìn)了產(chǎn)電微生物在陽極表面的生長和成膜，提高了陽極生物膜的電子傳遞性能，從而使MFC的最大功率密度提高了26.4％~43.6%。采用對(duì)環(huán)境低污染

3、的超聲法和陽極倒出液處理碳布陽極，使MFC的最大功率密度提高了23.3%和32.7%。
　　針對(duì)空氣陰極氧氣還原性能不理想、耐水壓性能差的問題，開發(fā)了一種新型耐水壓不銹鋼網(wǎng)空氣陰極；采用微波輻射法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加熱方式制備空氣陰極催化層，改善了催化層內(nèi)氧氣還原的三相界面，提高了陰極交換電流密度，降低了陰極內(nèi)阻，使MFC的最大功率密度提高了15.6%~23.3%。
　　為了解決空氣陰極電化學(xué)性能長期穩(wěn)定性較差的問題，研究了陰極生物

4、膜產(chǎn)生的溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）對(duì)空氣陰極的影響機(jī)理，并首次對(duì)MFC系統(tǒng)中的SMP進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)MFC陰極生物膜SMP含有大量的多糖、蛋白質(zhì)和腐殖酸等有機(jī)物，這些物質(zhì)含有豐富的羧基、氨基、羥基等官能團(tuán)，SMP的分子直徑小于600nm。MFC長期運(yùn)行后，陰極生物膜 SMP會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入催化層，降低催化層的疏水性，降低陰極的導(dǎo)電性和催化劑的催化活性，并阻礙氧氣、H+、OH-等物質(zhì)的傳輸，從而增大陰極內(nèi)阻，降低空氣陰極的電化學(xué)性能和MFC的產(chǎn)