石墨烯和碳納米材料改性陽(yáng)極在MFC中的應(yīng)用.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一種利用產(chǎn)電微生物的催化作用將無機(jī)物或有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，具有清潔無污染、產(chǎn)電同時(shí)處理廢水等特點(diǎn)。然而，較小的輸出功率限制了MFC的實(shí)際應(yīng)用。產(chǎn)電微生物與陽(yáng)極之間的電子轉(zhuǎn)移速率是決定電池性能的重要因素。陽(yáng)極材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)電微生物的附著、電子的傳遞以及底物的氧化密切相關(guān)。由于石墨烯與碳納米材料具有較高的導(dǎo)電性和大的比表面積，使其在電池及電催化方面都有廣泛

2、的應(yīng)用。
　　本研究中，制備了石墨烯和碳納米球，并對(duì)其進(jìn)行表征，然后制備成MFC的改性陽(yáng)極，考察了利用改性石墨材料作為MFC陽(yáng)極的可行性，及對(duì)產(chǎn)電性能的影響。主要研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
　　(1)采用密閉氧化法制備氧化石墨和氨-肼復(fù)合還原法制備了石墨烯，并利用石墨烯制備成改性陽(yáng)極，研究了石墨烯與粘合劑PTFE乳液的最佳配比，并應(yīng)用在MFC中測(cè)定其電化學(xué)性能。采用UV-可見、XRD衍射、FTIR、SEM對(duì)石墨烯材料進(jìn)行了表征

3、。結(jié)構(gòu)分析表明，所得到的石墨烯很薄，表面為片狀褶皺結(jié)構(gòu)，但石墨烯表面還有C-O等部分含氧基團(tuán)殘留。性能測(cè)試表明:當(dāng)石墨烯和PTFE乳液質(zhì)量體積比為1∶20時(shí)改性電極的比表面積最大;潤(rùn)濕性最好，接觸角為95°;電荷傳遞電阻為52.05Ω，更容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。應(yīng)用到MFC中其輸出功率、輸出電壓、功率密度、電極氧化還原性、電池穩(wěn)定性都有所增加，內(nèi)阻為85Ω，降低了7％，對(duì)陽(yáng)極液COD的去除率達(dá)到81％，最大功率密度為424mW/m2，比未

4、改性電極MFC提高了8％。
　　(2)采用低溫水熱炭化法制備了碳納米球并利用碳納米球制備成改性陽(yáng)極，并將其應(yīng)用到MFC中?？疾炝似咸烟浅跏紳舛取囟?、時(shí)間對(duì)生成碳納米球的影響，結(jié)果表明:在葡萄糖溶液初始濃度為1.5mol/L，200℃下反應(yīng)16h得出的碳納米球效果最好，有機(jī)物由液相轉(zhuǎn)移到固相中的最多，COD轉(zhuǎn)入率提高到90％左右，固體量增加到11g左右，碳值提高到65％左右。SEM和FTIR分析得到碳納米球直徑為100nm，表面含